基于压电材料的主动吸声仿真方法研究

主动控制仿真软件很少,大部分控制问题都采用MATLAB自编程进行计算或搭建试验台进行试验,前者仿真结果不可靠,后者需要消耗大量的经费。针对这种问题,该文采用一种新的仿真方法,对圆形和方形压电陶瓷片的主动吸声降噪性能进行对比研究。仿真步骤分三步。第一步,在ANSYS动态分析中获取压电陶瓷片前的两个聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电传感器在当前载荷步下产生的声压和质点振动速度。第二步,将第一步得到的声压和质点振动速度信号导入MATLAB,分离入射声波和反射声波,利用MATLAB自带的最优控制算法计算出需要施加的控制电压。第三步,在ANSYS中将MATLAB计算出的控制电压施加到压电陶瓷片的两端,再次进行动态分析,得到下一个载荷步的两个PVDF压电传感器产生的电压。重复以上三个步骤,就可以模拟出压电陶瓷片的主动吸声控制过程。仿真试验得到了施加在不同形状压电材料上的驱动电压与频率的关系,仿真结果与理论计算结果接近。仿真试验结果表明,在表面积相同的情况下,与方形压电陶瓷片相比,圆形压电陶瓷片的吸声降噪效果更显著。

压电材料切口奇异物理场计算

采用切口尖端奇性特征分析与有限元法相结合的思路,计算压电材料切口尖端的力学和电学奇异物理场.首先基于奇性渐近展开技巧,推演压电材料切口的奇性特征方程,引入插值矩阵法求解,获得切口尖端奇性渐近展开式的奇性指数、特征角函数及其导数.再根据有限元法的位移和电势计算结果较应力和电位移高一阶精度的特点,利用稀疏有限元网格,计算出切口附近的位移和电势,代入切口尖端物理场渐近展开式,求出幅值系数.根据计算出的幅值系数、奇性指数、特征角函数及其导数,重构出切口尖端附近的奇异应力场和电位移场,继而计算出切口的应力强度因子和电位移强度因子.本文提出半解析方法,基于有限元稀疏网格计算结果,利用较小的计算量,获得较高精度的奇异物理场.该方法无须对有限元法的插值函数进行改造,适合嵌入商业有限元软件,直接用于工程压电材料结构安全分析.

抗菌压电材料:对细菌无选择性杀伤和不产生细菌耐药性

背景:压电材料可通过催化作用产生活性氧,通过多种途径来破坏细菌,而且不会导致细菌产生耐药性。这种不依赖抗生素的抗菌方式具有明显的优势,可以对细菌进行无差别的杀伤,为今后的抗菌策略提供了一种新思路。目的:文章主要总结了有关压电材料特性与抗菌机制,并讨论了部分压电材料在抗菌领域的研究现状。方法:在Pub Med、Web of Science、中国知网和万方数据库中,以“压电材料,压电催化,活性氧,抗菌,细菌感染,抗感染,耐药性”为中文检索词,以“piezoelectric materials,piezoelectricity,piezoelectric catalysis,piezocatalysis,reactive oxygen species,ROS,bacterial infection,antibacterial strategies,anti-infection,drug resistance,drug-resistant bacteria”为英文检索词。检索时间范围重点为2013年1月至2023年12月,通过阅读文题和摘要进行初步筛选;排除中英文重复性研究及内容不相关的文献,经文献质量评价后,最后纳入68篇文献进行综述。结果与结论:(1)压电材料是一类性质稳定的环境友好型材料,其大多数具有良好的生物相容性。(2)压电材料在压电效应过程中可催化产生大量活性氧,活性氧可通过细胞外氧化和细胞内氧化,破坏细菌的细胞膜、胞内蛋白质、酶以及核酸等物质,影响细菌的结构和功能,甚至导致细菌死亡从而实现抗菌。抗菌性能与催化生成活性氧速率相关,而催化速率与材料体系、形貌及外界条件等多种因素相关。(3)压电催化产生的活性氧对细菌不具备选择性,因此表现出广谱抗菌性,且这种抗菌方式不需要依赖抗菌药物,故不会引起细菌耐药性问题。(4)结合超声波无创、可控性与穿透性强等优点,未来压电材料作为耐药菌感染的辅助或替代治疗等具有重要价值和巨大潜力。(5)目前压电材料催化效率低下的难题限制了其在抗菌领域的应用,如何提高压电催化效率成为了学者们关注的焦点。

准晶及压电材料黏附接触力学研究进展

作为具备多场耦合特性的先进功能材料,准晶及压电材料目前已被广泛应用于各种微纳器件与结构.在微纳尺度下,系统的力学行为将由各种表面力(如静电力、毛细力以及范德华力等)引起的黏附效应主导.近年来,准晶及压电材料在微纳尺度下的黏附接触行为获得越来越多学者的关注和研究.本文在简要介绍经典黏附接触理论的基础上,综述了准晶及压电材料相关黏附接触力学问题最新研究进展,其中包括准晶材料的理论和实验研究以及压电材料理论研究.最后对未来准晶及压电材料黏附接触力学问题研究进行了展望.

人工神经网络和电阻抗谱法压电材料快速表征

压电材料作为重要的功能材料,广泛应用于社会的各领域,但其弹性常数的偏差会导致应用过程中出现错误的设计,弹性常数的正确表征对压电器件的正确设计尤为重要。与其他测量方法相比,电阻抗谱仅需要阻抗分析仪即可实现测量,通过测量阻抗谱反演获得压电材料的弹性常数。传统电阻抗谱法通过不断修正材料参数,使得测量阻抗谱和计算阻抗谱最大程度吻合,该过程需要多次迭代,计算量大,耗时较长。该文提出采用神经网络建立阻抗谱到弹性常数的正向模型,测量得到阻抗谱后仅需一次正向计算即可得到弹性常数。使用Comsol和Matlab联合仿真建立数据集,引入丢弃法避免模型过拟合,利用Pytorch建立模型,经过训练后,最大谐振频率偏差从初始2.8%降至0.8%。该技术为压电材料弹性常数精密测量提供可靠的理论与实践途径。

增材制造柔性压电材料的现状与展望

柔性压电材料作为一类重要的功能材料,具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点,可以实现机械能和电能的相互转换,并贴附在人体上实时获取人体或环境信息,在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求,增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈,极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能,从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上,系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类,包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等;总结了增材制造柔性压电材料的结构,主要有多层结构、多孔结构和叉指结构;介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展;最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

基于偶应力理论的压电材料轴对称接触问题

基于偶应力理论,研究了刚性绝缘球压头与横观各向同性压电半空间尺度依赖的轴对称接触问题.利用Hankel积分变换和积分最小二乘法,获得了接触压力.讨论了特征材料长度对接触压力分布、接触半径和压痕深度的影响.结果表明,基于偶应力理论获得的接触压力结果明显大于经典结果.

组合压电材料发电性能及力学特性研究

采用组合式压电材料的方法优化调节压电式能量收集器中压电结构的发电性能、刚度及振动特性,并在PZT-5H的单晶压电片中引入压电材料PZT-51与PVDF,通过调整组合形式改变了压电结构的机械刚度,通过模态分析优化了压电结构的振动特性。结果表明:合理的组合形式能够充分发挥压电材料的力电性能,提高压电能量收集器对复杂工作场景的适应性。引入压电材料PZT-51可以有效提高压电能量收集器的刚度;引入压电材料PVDF可以有效调节压电结构的一阶特征频率,在54~115 Hz范围内进行优化,有助于调节压电能量收集器的性能参数。

新型压电材料在压电催化/压电光催化领域的研究进展

压电材料具有改善光电子和空穴分离与迁移的卓越能力,因此逐渐引起了研究人员的兴趣。传统压电材料(如BaTiO3、ZnO)的压电效应产生的交变内置电场为载流子的分离和迁移提供了强大的驱动力。除了传统的压电材料外,某些独特的材料,如层状过渡金属二硫化物、铋层结构材料、纤锌矿基半导体、石墨烯、g-C3N4和金属有机骨架材料,都具有压电特性,被认为是新型压电催化剂。本文综述了这些新型压电材料在压电催化和压电光催化应用方面的最新进展。本文综述有望为深入了解和开发更多新型压电催化剂在新兴能源和环境领域的应用提供全面的指导。

基于压电材料的低速校园公交能量回收装置的研究

【目的】提高校园公交能量利用效率,使校园公交行驶过程更加低碳环保。【方法】利用压电材料正压电效应回收校园公交行驶过程中产生的振动机械能,设计了一款基于压电材料的低速校园公交能量回收装置。该装置在微型悬臂梁上安装具有压电效应的压电陶瓷,行驶过程中的振动传导至悬臂梁形变产生机械能,通过压电陶瓷将机械能转换成电能,再通过具有整流作用的回收装置将电能储存在蓄电池中。【结果】该装置能够实现行驶过程中能量的转化和存储。【结论】该能量回收装置的研究设计对提升校园公交的续航里程、能量利用效率、绿色环保性能具有一定的参考价值。

压电材料与器件在电气工程领域的应用

随着能源转型的深化和能源互联网建设的推进,电网对自动化、智慧化和信息化的要求越来越高,为适应电网多样化的运营需求,亟待发展先进的电力设备感应技术,以保证智能电网在各种复杂环境下的稳定运行。压电材料在此中扮演重要角色,它能有效地捕获电力设备的关键信息,如放电和振动,被广泛应用在设备的振动监测、放电信号的探测、无损检测、温度测定以及电压感应等众多领域。本文深入探讨了压电传感材料的研究历程,并全面介绍了压电振动、声音以及电压传感器在实际电气工程中的应用概况。同时,文中也指出了当前压电传感器存在的主要挑战,如精度不足、稳定性差、环境适应性弱以及误报率高等问题,强调需要通过加快高性能材料的研发、优化传感器结构设计和实现智能补偿等手段,发展新型智能压电传感器。

基于压电材料的旋转环境气压监测

提出一种使用压电材料作为自供电的传感器来监测旋转环境气压,尤其适用于极端情况,如测汽车胎压。在封闭高压环境中,传统监测系统往往受限于供电和使用寿命而面临不能长期使用、易坏且成本高等各式问题,提出并推导了该传感器的理论模型,根据计算和仿真的结果该系统可以满足气压监测的需要,监测系统既解决了供电的问题,也能适应各种极端的工作环境。

具周期裂纹的拼接压电材料的梯度压电压磁带的断裂行为分析

在非渗透性裂纹边界条件下,采用Fourier变换将边值问题转化为积分方程.最后利用Gauss-Chebychev积分公式进行求解,获得了裂纹尖端局部场的解析式.通过数值算例得出物性参数对裂纹端强度因子的影响情况,梯度参数、裂纹半长以及材料宽度的增大均会使强度因子增大,但增大的趋势有所不同.

压电材料平面Ⅰ型裂纹模拟仿真分析

文中利用复变函数知识,基于压电材料第二类本构方程推导了压电材料平面Ⅰ型裂纹尖端的应力场和电位移场及机械应变能释放率的解析解,采用虚拟闭合裂纹法和Abaqus软件对压电材料平面型裂纹进行模拟仿真分析,根据仿真结果得到的机械应变释放数值解,讨论了裂纹参数与施加力电载荷对裂纹扩展的影响。将仿真模拟的数值解与解析解相对比,数值解结果与解析解符合程度较好,验证了虚拟裂纹闭合法与有限元软件结合方法的有效性。

宽温域压电材料的研究进展及其柔性化设计

近年来,随着汽车、石油、核电和航空航天等高温领域的发展,应用于极端环境中的无损检测、可持续自供电设备用宽温域压电材料成为研究热点。然而,具有优异压电性和高温稳定性的宽温域压电材料,由于质脆、硬度大,致使所制器件无法兼具柔性及高温稳定性而在高温精密化作业、可穿戴健康检测等应用中受到极大限制。因此基于宽温域压电材料的柔性化设计,以实现耐高温柔性压电装置的制备并最终大幅拓宽压电装置的高温工作潜力,成为目前压电器件的重要发展方向。本文首先针对300℃以下环境中应用的压电材料(锆钛酸铅、钛酸钡和碱金属铌酸盐)和500~1000℃环境中应用的Ⅲ族氮化物的研究进展进行了介绍,然后分析基于这些材料的柔性化设计技术及柔性化设计过程中所用衬底或复合基体的种类对最终器件高温稳定性的影响。

压电材料修复骨缺损的应用及设计思路

背景:骨具有压电效应,可将其所受应力转化为骨表面的电信号,通过电信号调节骨的代谢与生长。具有生物电活性的压电材料作为骨植入物能在受力时表面生成电荷,恢复损伤骨组织表面电势从而达到促进骨愈合的目的。目的:文章从压电的角度介绍了骨的压电效应,说明压电材料促进骨缺损修复的可行性以及压电材料应用于骨组织工程的研究进展,并阐述压电材料促进成骨的机制,以期为骨缺损修复提供新的思路。方法:以“Piezoelectric effect,Piezoelectric materials,Piezoelectric ceramic,Piezoelectric polymers,Osteogenesis,Bone tissue engineering,Scaffolds,Bone defect,energy harvester”为英文检索词,以“压电效应、压电材料、压电陶瓷、压电聚合物、成骨、骨组织工程、细胞支架、骨缺损、能量采集器”为中文检索词,在PubMed,Web of Science,ScienceDirect,中国知网和万方数据库中检索筛选出88篇文献进行归纳总结。结果与结论:①压电材料具有因受力形变而产电的自发电特性,能模拟骨组织的细胞外基质的生物电微环境,可制备成生物支架,在不依赖于生长因子和药物的情况下给予骨组织电刺激,增强骨修复功能,在骨缺损的治疗中具有应用前景。②压电材料通过刺激细胞电压门控钙通道、α5β1整合素、促进局部血流增加等途径促进成骨。③目前尚未发现任何单一压电材料可满足组织工程的压电材料的特征,因此压电陶瓷与压电聚合物相结合,压电材料与生物活性材料相结合的压电复合材料应运而生,其中压电陶瓷-有机物复合材料,保留了压电陶瓷的压电性能优异和生物相容性良好优点的同时更易于加工,其生物相容性和促进骨细胞贴附、矿化等功能更强,是当前治疗骨缺损效果最好的压电材料;④虽然压电材料能模拟骨组织的生物电微环境来促进成骨,但由于对压电材料影响骨细胞的机制尚未明确,以及不同骨组织微环境各不相同,因此限制了压电材料在临床的应用,随着材料研发技术的进步和对压电材料作用于细胞的研究愈发深入,压电材料有望为骨缺损的修复提供新的思路。

基于压电材料的薄膜型声学超材料隔声性能研究

本文利用COMSOL软件研究了一种基于压电材料的薄膜型声学超材料的隔声性能,分析了压电块外接电路的电阻和电感对其隔声性能的影响,并探讨了其在汽车顶板上应用的可行性。研究表明,加入压电块的薄膜型声学超材料隔声性能明显提高;外接电路的电感和电阻仅在传声损失峰值所对应的频率处对材料的传声损失有影响,传声损失峰值随电阻或电感的增大而减小,峰值位置基本不随电阻或电感而改变;外接电路中电阻对传声损失峰值的影响明显弱于电感;复合了压电薄膜型声学超材料的汽车顶板相比于单一钢板压制的汽车顶板具有更好的隔声能力。

压电材料在传统吸声结构中的应用

压电材料受到外界声压强作用时,可将声能转化为电能,并进一步转化为热能进行消耗,这可以作为一种新的吸声机制。当把压电材料应用到传统吸声结构中时,压电材料特有的吸声机制有利于提高结构的吸声降噪性能。本文总结了国内外压电材料在传统吸声结构中的应用进展。首先,介绍了常用的压电材料和其吸声机制。此外,根据传统多孔吸声结构和共振吸声结构的分类,系统综述了压电-多孔吸声结构(无机压电填料泡沫、有机压电泡沫、有机压电气凝胶等)以及压电-共振吸声结构(压电薄片、压电微穿孔板、压电静电纺薄膜等)的研究进展,并提炼出两种结构的基本设计原则、结构和性能。最后提出了压电复合吸声结构研究领域存在的问题及发展方向,以促进压电材料在传统吸声结构中的应用。

立方准晶压电材料的半空间问题

考虑了立方准晶压电材料的半空间问题.给出了反平面机械载荷和面内电载荷作用下立方准晶压电材料弹性问题的控制方程,结合半无限区域表面边界条件,利用算子理论和复变函数方法获得了立方准晶压电材料半空间问题一般解的表达式.基于一般解得到了集中线力作用下,半空间问题的声子场和相位子场的位移、应力以及电位移的解析表达式.

高温无铅压电材料研究进展

随着航空航天、石油化工等领域的快速发展以及可持续发展战略的实施,高温无铅压电材料的作用愈发重要。该文总结了具有高居里温度点无铅压电材料的研究进展,主要包括钙钛矿型的BiFeO_(3)基和BiAlO_(3)基陶瓷、铋层状陶瓷、钙钛矿层状结构陶瓷以及铌酸锂、硅酸镓镧和硼酸氧钙稀土等压电单晶。最后总结了目前高温无铅压电材料中存在的问题,并提出其发展方向。