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1-3型3 MHz压电超声换能器设计与制备
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作者 李杰 崔永俊 王红亮 《压电与声光》 北大核心 2025年第6期1149-1154,共6页
针对医学超声成像与工业无损检测领域对声学传感器穿透性能及分辨率的双重需求,设计了一种基于1-3型复合结构的3 MHz压电超声换能器。通过COMSOL Multiphysics有限元分析平台构建了以PZT-5H为压电相复合材料的结构特征模型。频率响应特... 针对医学超声成像与工业无损检测领域对声学传感器穿透性能及分辨率的双重需求,设计了一种基于1-3型复合结构的3 MHz压电超声换能器。通过COMSOL Multiphysics有限元分析平台构建了以PZT-5H为压电相复合材料的结构特征模型。频率响应特性仿真表明其谐振频率为2.91 MHz,机电耦合系数达67.6%;进一步通过声学扩散模块分析获得了其在水域中声场分布特征,轴向声压最大值达到207.4 dB。根据仿真参数采用切割填充工艺制备了压电复合元件,并基于KLM理论模型完成换能器制备。实验得出换能器中心频率为2.82 MHz,声阻抗值18 MRayls,-6 dB相对带宽为62%,机电耦合系数提升至74.7%。对比研究表明,仿真与实测结果基本一致,声阻抗匹配良好,验证了设计方法的有效性,为高性能压电换能器的多物理场协同设计提供了系统的解决方案。 展开更多
关键词 压电复合材料 超声换能器 有限元法 机电耦合系数 声阻抗
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锂掺杂对高钠KNN基陶瓷相转变与压电性能温度稳定性影响研究
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作者 王海燕 黄家伟 +1 位作者 燕小斌 刘沁昕 《压电与声光》 北大核心 2025年第5期865-871,共7页
采用固相合成反应结合常压烧结工艺制备了K_(0.2)Na_(0.8)NbO_(3-x )LiNbO_(3)(K2N8-x LN)陶瓷,系统研究了锂掺杂对高钠含量KNN陶瓷的相结构、相转变行为及电学性能的影响规律。结果表明,高钠含量的KNN陶瓷可有效抑制K_(3)Li_(2)Nb_(5)O... 采用固相合成反应结合常压烧结工艺制备了K_(0.2)Na_(0.8)NbO_(3-x )LiNbO_(3)(K2N8-x LN)陶瓷,系统研究了锂掺杂对高钠含量KNN陶瓷的相结构、相转变行为及电学性能的影响规律。结果表明,高钠含量的KNN陶瓷可有效抑制K_(3)Li_(2)Nb_(5)O_(15)第二相生成,促进锂的固溶。锂掺杂会同时提升K2N8陶瓷的TR-O和TC,当锂的掺杂量(摩尔分数)为8%时,陶瓷的三方-正交相转变温度接近室温,增强了陶瓷的电学性能。依据拉曼光谱分析提出了LN掺杂诱导NbO_(6)八面体沿[001]收缩及(110)面弯曲诱导相转变的微观机制。当LN掺杂量(摩尔分数)为30%时,陶瓷的居里温度增加至538℃,比纯K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)陶瓷的TC提升了约130℃。经过530℃热处理后,该组分陶瓷仍存在压电性能,极大地拓宽了KNN基陶瓷的使用温度区间范围。该研究为开发宽温域的高性能无铅压电陶瓷提供了新的材料设计策略。 展开更多
关键词 铌酸钾钠 锂掺杂 相转变 居里温度 压电性能温度稳定性
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Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-Pb(ZrTi)O_(3)大应变压电陶瓷的制备及性能研究
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作者 盖学周 吴凡 +2 位作者 汪跃群 李伟 何超 《功能材料》 北大核心 2025年第2期2010-2017,共8页
提升大应变压电陶瓷的应变量及温度稳定性,具有重要的实际意义。采用传统固相反应法,制备了(0.3-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-x Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.7Pb(Zr_(0.42)Ti_(0.58))O_(3)((0.3-x)PMN-xPNN-0.7PZT)大应变压电陶瓷。... 提升大应变压电陶瓷的应变量及温度稳定性,具有重要的实际意义。采用传统固相反应法,制备了(0.3-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-x Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.7Pb(Zr_(0.42)Ti_(0.58))O_(3)((0.3-x)PMN-xPNN-0.7PZT)大应变压电陶瓷。研究了PNN固溶量对陶瓷烧结性能、相结构、微观结构、介电性能、铁电性能、压电性能及温度稳定性的影响。结果发现,PNN固溶,引起晶格畸变,促进陶瓷烧结,同时改变准同型相界附近三方相与四方相含量。当x=0.06时,陶瓷具有最佳电学性能:机电耦合系数k_(p)、压电常数d_(33)、居里温度T_(c)、矫顽场E_(c)分别为0.682,692 pC/N,263℃,880 V/mm;单极应变量在30 kV/cm电场及25℃温度条件下达到0.18%,并在25℃~180℃温度范围内,变化幅度<15%;退极化温度T d≈260℃。 展开更多
关键词 大应变压电陶瓷 铌镁酸铅 铌镍酸铅 准同型相界 居里温度
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基于摩擦纳米发电机的输电线路微风振动自驱动传感技术 被引量:2
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作者 高思航 刘咏熙 +3 位作者 王锐 罗小婷 韦昊 何维晟 《电力工程技术》 北大核心 2025年第5期188-197,共10页
随着泛在电力物联网的快速发展,大量传感监测节点部署在电力系统的各个环节,用于实时监测电力装备运行状态及周围环境参数。当前传统供电方式已难以满足电力系统传感节点的供电需求,尤其是户外复杂环境下的输电系统,因此利用输电系统周... 随着泛在电力物联网的快速发展,大量传感监测节点部署在电力系统的各个环节,用于实时监测电力装备运行状态及周围环境参数。当前传统供电方式已难以满足电力系统传感节点的供电需求,尤其是户外复杂环境下的输电系统,因此利用输电系统周围环境中的微能量为各种传感器供电成为潜在的解决方案。为此,文中面向电力输电场景,基于摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG),将旋转型TENG与扑动型TENG进行结合,提出一种自供电多风向驱动的能量采集器,由基于旋转型TENG的风能采集模块和基于扑动型TENG的风矢量传感模块两部分组成。首先,通过测试风能采集模块的输出特性,提出备用电源的混合供电策略,实现由低到高多级风速下的蓝牙温湿度传感器高效供电。其次,验证表明风矢量传感模块可灵敏响应2.6~13.5 m/s范围内的8个方向风矢量,并建立输电线路截面风向角、风速范围与导线微风振动的逻辑关联,用于评估导线异常振动。最后,在此基础上开发由能量采集器、八通道信号采集电路、LabVIEW上位机构成的环境温湿度与风矢量监测的自驱动传感系统,可实时监测温度、湿度、风速、风向等参数,并通过分析多风向矢量信息实现导线微风振动预警。 展开更多
关键词 电力物联网 摩擦纳米发电机(TENG) 输电线路 风能采集 风矢量监测 微风振动预警
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锰掺杂对0.96NaNbO_(3)–0.04BaTiO_(3)陶瓷热释电性能的影响
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作者 刘亦扬 岑方杰 +4 位作者 范明智 罗方苑 姜胜林 李康华 张光祖 《硅酸盐学报》 北大核心 2025年第4期759-768,共10页
热释电材料在红外探测领域应用广泛,随着器件不断向小型化、集成化方向发展,开发兼具优异热释电性能和高退极化温度的无铅热释电材料显得尤为重要。通过组分梯度设计,向0.96NaNbO_(3)–0.04BaTiO_(3)基体材料中掺杂不同质量分数的Mn离子... 热释电材料在红外探测领域应用广泛,随着器件不断向小型化、集成化方向发展,开发兼具优异热释电性能和高退极化温度的无铅热释电材料显得尤为重要。通过组分梯度设计,向0.96NaNbO_(3)–0.04BaTiO_(3)基体材料中掺杂不同质量分数的Mn离子,系统研究了掺杂量对0.96NaNbO_(3)–0.04BaTiO_(3)陶瓷的显微结构、铁电性能、介电和热释电性能的影响。研究结果表明,当Mn掺杂为0.4%(质量分数)时,陶瓷在该组分下具有最佳热释电性能,其中热释电系数为2.11×10^(–8)C·cm^(–2)·K^(–1),电压优值因子为3.74×10~(–2)m^(2)·C^(–1),且通过250℃高温处理5 min后,热释电系数没有明显下降,表明该组分具有非制冷红外探测应用前景。 展开更多
关键词 铌酸钠陶瓷 热释电陶瓷 锰掺杂 高退极化温度
原文传递
基于MPB线性规则设计的PIN-PZN-PZ-PT压电陶瓷结构与性能研究
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作者 许晓宇 周黎阳 +4 位作者 冯晓颖 王挥 阎彬 许杰 高峰 《无机材料学报》 北大核心 2025年第11期1285-1292,I0018-I0021,共12页
高性能压电陶瓷在现代机电系统中具有不可替代的重要作用,Pb(In_(1/2)Nb_(1/2))O_(3)-Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbZrO_(3)-Pb TiO_(3)(PIN-PZN-PZ-PT)这类多组分材料因其在准同型相界(MPB)处所呈现出的独特性能而备受关注。本工作通... 高性能压电陶瓷在现代机电系统中具有不可替代的重要作用,Pb(In_(1/2)Nb_(1/2))O_(3)-Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbZrO_(3)-Pb TiO_(3)(PIN-PZN-PZ-PT)这类多组分材料因其在准同型相界(MPB)处所呈现出的独特性能而备受关注。本工作通过精细调控PbTiO_(3)(PT)的含量,设计并优化PIN-PZN-PZ-PT陶瓷的MPB组分,以实现压电性能与热稳定性的双重提升。采用传统固相反应法制备陶瓷,依据线性组合规则预测各组分对MPB位置的贡献,通过X射线衍射(XRD)对晶相结构进行验证,并开展全面的电学性能测试,主要测定压电常数(d_(33))和居里温度(T_(C))。实验结果表明,MPB位置明显受PT含量的影响:随着PT比例的增加,陶瓷中三方相逐步减少,而四方相逐渐占据主导地位,导致晶相平衡发生明显转变。具体而言,不同体系中最优MPB组分范围分别为:(1-x)(0.3PIN-0.6PZN-0.1PZ)-xPT中x=0.245~0.265;(1-x)(0.3PIN-0.5PZN-0.2PZ)-xPT中x=0.290~0.330;以及(1-x)(0.3PIN-0.4PZN-0.3PZ)-x PT中x=0.305~0.345。其中,0.735(0.3PIN-0.6PZN-0.1PZ)-0.265PT样品表现最佳,其d_(33)达到425 pC/N,T_(C)高达253℃。这些结果表明,通过精确调控PT含量,可以有效控制MPB处的晶相平衡,从而显著提升压电性能。综上所述,本研究成功确定了PIN-PZN-PZ-PT陶瓷的最优MPB组分,充分展示了其在高性能压电应用中的巨大潜力,并为后续工艺改进和材料长期稳定性研究提供了坚实基础。 展开更多
关键词 准同型相界 压电常数 居里温度 相结构 钙钛矿
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高压压电作动器动态迟滞特性建模及参数辨识方法研究
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作者 李伟光 刘珂 +2 位作者 王慧 邓庆田 杨智春 《西北工业大学学报》 北大核心 2025年第3期610-619,共10页
高压压电作动器因其具有负载能力强、标称推力大、响应速度快等优点而被广泛应用于航空、航天结构振动主动控制领域。然而,其固有的迟滞特性会直接影响压电主动控制系统的效能和稳定性。针对高压压电作动器迟滞特性建模及参数辨识问题,... 高压压电作动器因其具有负载能力强、标称推力大、响应速度快等优点而被广泛应用于航空、航天结构振动主动控制领域。然而,其固有的迟滞特性会直接影响压电主动控制系统的效能和稳定性。针对高压压电作动器迟滞特性建模及参数辨识问题,提出了一种基于Hammerstein模型和改进型自适应粒子群算法的压电作动器动态迟滞特性建模及参数辨识方法。采用非对称Bouc-Wen模型描述静态迟滞效应,进一步结合传递函数模型,构造了高压压电作动器的Hammerstein率相关动态迟滞模型。基于非线性递减惯性权重策略和动态学习因子,提出了一种改进型自适应粒子群算法,并使用高压压电作动器迟滞特性测试实验数据辨识得到了迟滞模型参数,验证了所提算法相较于传统粒子群算法的优越性。通过高压压电作动器迟滞效应预测实验,验证了所建立的Hammerstein模型可以高效预测动态迟滞效应,且在关心频带内对于作动器驱动电压频率和幅值的改变具有很强的适应性。 展开更多
关键词 高压压电作动器 动态迟滞 粒子群算法 HAMMERSTEIN模型 系统辨识
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温度稳定性优异的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)基压电陶瓷及其1-3型换能器
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作者 高天宇 刘东 +3 位作者 赵思雪 邓伟 张波萍 朱立峰 《无机材料学报》 北大核心 2025年第3期297-304,共8页
铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3),KNN)基压电陶瓷具有优异的压电系数(Piezoelectric Coefficient,d_(33))和高居里温度(Curie Temperature,TC),是最有潜力取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系。然而,相比铅基压电陶瓷体系,KNN基陶瓷体... 铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3),KNN)基压电陶瓷具有优异的压电系数(Piezoelectric Coefficient,d_(33))和高居里温度(Curie Temperature,TC),是最有潜力取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系。然而,相比铅基压电陶瓷体系,KNN基陶瓷体系的d_(33)温度稳定性较差,影响了其实际应用。针对该问题,本研究采用常规固相烧结法和织构工程设计制备了具有单一四方相(T相)的(K_(0.5)Na_(0.5))_(0.96)Li_(0.04)(Nb_(0.95)Sb_(0.05))O_(3)-(Bi_(0.5)Na_(0.5))ZrO_(3)(KNLNS-BNZ)织构压电陶瓷。研究发现:相比非织构陶瓷,KNLNS-BNZ织构陶瓷不仅具有更优异的压电系数(d_(33)=256 pC·N^(–1))和纵向机电耦合系数(Longitudinal Electromechanical Coupling Coefficient,k_(33)=34%),而且具有更优良的d_(33)和k_(33)温度稳定性。在温度范围25~250℃之间,KNLNS-BNZ织构陶瓷d_(33)和k_(33)的变化率分别为12%和4%。此外,本工作制备并研究了由KNLNS-BNZ织构陶瓷和环氧树脂组成的1-3型换能器。该1-3型换能器不仅具有大带宽(BW=61.2%)和优良的信号强度(f_(c)=1 MHz),而且具有良好的温度稳定性。当测量温度升高到100℃时,其带宽BW和中心频率fc分别为58.7%和0.94 MHz,与室温下的测量结果相比其变化率分别为4%和6%。以上结果表明,KNLNS-BNZ无铅压电陶瓷具有良好的压电性能和优异的温度稳定性,并且基于此制备的1-3型换能器可为新型无铅压电陶瓷的实际应用提供参考。 展开更多
关键词 铌酸钾钠 织构陶瓷 压电性能 换能器
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氧化钴掺杂铪钛酸钡钙陶瓷压电性能的微观机制研究
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作者 田兴国 尹红梅 +2 位作者 李雄伟 周恒为 张丽丽 《电子元件与材料》 北大核心 2025年第7期803-810,共8页
采用固相反应方法制备了Ba_(0.85) Ca_(0.15)Ti_(0.9)Hf_(0.1)O_(3)+x%Co_(2) O_(3)(x%表示摩尔分数,x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)系列无铅压电陶瓷,通过对所制备陶瓷的微观结构、表面形貌,及宏观铁电、介电和压电等性能的测试与分析,发... 采用固相反应方法制备了Ba_(0.85) Ca_(0.15)Ti_(0.9)Hf_(0.1)O_(3)+x%Co_(2) O_(3)(x%表示摩尔分数,x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)系列无铅压电陶瓷,通过对所制备陶瓷的微观结构、表面形貌,及宏观铁电、介电和压电等性能的测试与分析,发现:所有样品在室温下均为钙钛矿型铁电体,Co_(2) O_(3)的掺入可抑制晶粒的生长;随着Co_(2) O_(3)掺杂量的增加,陶瓷的剩余极化强度(Pr)减小、矫顽场(Ec)增大、居里温度(Tc)降低;压电系数(d33)和机电耦合系数(kp)随陶瓷体密度的变化而变化,其中d33受体密度、相结构和平均晶粒尺寸的共同影响,在x=0.2时陶瓷为R-O相共存,具有最大的体密度(5.84 g/cm^(3))和较大的晶粒尺寸,此时压电系数和机电耦合系数最大,其值分别为339 pC/N和38%,R-O相共存和较大的体密度是其具有较大压电系数的主要原因。 展开更多
关键词 无铅压电陶瓷 铪钛酸钡钙 固相反应法 氧化钴掺杂 微观机制
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大行程末端平动式压电微夹钳的设计
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作者 高立伟 崔玉国 +2 位作者 李翔玮 江崇凡 白小洁 《压电与声光》 北大核心 2025年第5期902-907,共6页
为了给微纳精密操作系统提供性能良好的末端执行器,设计了一种大行程、末端平动的微夹钳。首先,基于桥式-杠杆两级放大机构和平行四连杆导向机构,设计出对称构型的两级放大柔顺式压电微夹钳结构;其次,采用有限元分析软件ANSYS对压电微... 为了给微纳精密操作系统提供性能良好的末端执行器,设计了一种大行程、末端平动的微夹钳。首先,基于桥式-杠杆两级放大机构和平行四连杆导向机构,设计出对称构型的两级放大柔顺式压电微夹钳结构;其次,采用有限元分析软件ANSYS对压电微夹钳的位移放大比、末端平动性、应力以及固有频率进行仿真分析,初步获得了微夹钳的各项静动态性能;最后,搭建实验系统并测试了微夹钳的夹持行程、末端平动性和钳指输出力。结果表明,微夹钳的夹持行程为333.80μm,末端平动性误差为0.32μm,最大夹持力为487.5 mN。 展开更多
关键词 压电微夹钳 大行程 末端平动 独立运动 精密操作
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WO_(3)掺杂Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_(4)O_(15)压电陶瓷及其加速度传感器的制备与特性研究
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作者 郇正利 冯云云 +2 位作者 费璇 常宁 季惠明 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第6期2216-2227,共12页
以W^(6+)取代Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_(4)O_(15)(NBT)的B位Ti^(4+),采用传统固相法制备了Na_(0.5)Bi_(4.5)W_(2/3x)Ti_(4-x)O_(15)(NBTW-100x,0≤x≤0.16)铋层状压电陶瓷,系统研究了NBTW-100x压电陶瓷结构及性能的变化规律,揭示了异质离子... 以W^(6+)取代Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_(4)O_(15)(NBT)的B位Ti^(4+),采用传统固相法制备了Na_(0.5)Bi_(4.5)W_(2/3x)Ti_(4-x)O_(15)(NBTW-100x,0≤x≤0.16)铋层状压电陶瓷,系统研究了NBTW-100x压电陶瓷结构及性能的变化规律,揭示了异质离子掺杂改性机制,阐明了提升材料压电性能和高温电阻率的最优条件。研究结果表明:当x=0.12时,NBTW-100x陶瓷综合性能最佳,其压电系数d_(33)=24.4 pC/N,居里温度T_C=633.2℃,电阻率ρ=2.58×10^(12)Ω·cm,且在500℃保温1 h后,其压电系数d_(33)和电阻率分别高达23.6 pC/N和6.75×10^(6)Ω·cm,是500℃高温下压电式加速度传感器的理想材料。基于NBTW-12压电陶瓷开发了压缩型压电式加速度传感器产品,其灵敏度在10~10000 Hz内相对偏差为13.29%,在室温至500℃的温度范围内,灵敏度偏差仅为±5%,且在500℃下的绝缘电阻高达4×10~7Ω,有望应用于飞机发动机、风机传动、旋转机械等关键部件的振动监测及故障诊断等方面。 展开更多
关键词 铋层状 热稳定性 Na_(0.5)Bi_(4.5)Ti_(4)O_(15) 加速度传感器
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ABAQUS二次开发在压电堆叠驱动器仿真中的应用
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作者 杨强 夏天飞 +2 位作者 张葛祥 古奥 张力佳 《成都信息工程大学学报》 2025年第3期306-312,共7页
压电堆叠是将压电陶瓷多片层叠并利用环氧树脂粘接在一起,在电场的作用下,输出的总变形量为各个压电陶瓷片的输出变形量之和,因其能产生较大的力和位移,所以被大量用于制造各类压电驱动器。但由于堆叠层数多,在ABAQUS中的建模与参数指... 压电堆叠是将压电陶瓷多片层叠并利用环氧树脂粘接在一起,在电场的作用下,输出的总变形量为各个压电陶瓷片的输出变形量之和,因其能产生较大的力和位移,所以被大量用于制造各类压电驱动器。但由于堆叠层数多,在ABAQUS中的建模与参数指定过程复杂烦琐。为快速对压电堆叠驱动器在ABAQUS中进行建模仿真,基于ABAQUS有限元分析软件,编写相应Python内核脚本程序,利用RSG对话框构造器制作压电堆叠驱动器仿真插件,即二次开发,实现压电堆叠驱动器在ABAQUS中的参数化建模与仿真。插件仿真实验表明:压电堆叠的输出位移与组成其压电陶瓷片的数量成正比列关系;与单层压电陶瓷片相比,多层压电陶瓷片可以显著降低驱动电压,同时可以通过改变压电陶瓷片的层数,来保证所需的位移量;设置的Cohesive参数得到的内聚力仿真结果也符合TSL规律。综上,该插件可为压电堆叠驱动器的设计提供相应指导。 展开更多
关键词 压电堆叠驱动器 ABAQUS RSG对话框构造器 二次开发 参数化建模 COHESIVE
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自发电滑雪(冰)鞋压电俘能系统设计与实验
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作者 蔡路通 接勐 +2 位作者 赵叶景 张飞 孙智 《吉林化工学院学报》 2025年第5期84-88,共5页
本文设计了一款自发电滑雪(冰)鞋压电俘能系统,通过收集滑雪过程中内外鞋间的振动能量,利用压电材料将其转化成电能,最后通过其它元器件实现不同功能。首先讨论分析了滑雪过程可利用的能量形式、圆形压电振子能量收集电压值,然后建立了... 本文设计了一款自发电滑雪(冰)鞋压电俘能系统,通过收集滑雪过程中内外鞋间的振动能量,利用压电材料将其转化成电能,最后通过其它元器件实现不同功能。首先讨论分析了滑雪过程可利用的能量形式、圆形压电振子能量收集电压值,然后建立了三维模型进行模拟实验分析,并设计制作自发电滑雪(冰)鞋压电俘能系统样机进行实验,实验结果证明了自发电滑雪(冰)鞋压电俘能系统的有效性,结果表明,在该系统下三种交替发力形式下所输出的电压可达204 V。 展开更多
关键词 自发电 滑雪鞋 压电 俘能系统
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Sn^(4+)、Nb^(5+)共掺BNT-SBT陶瓷的储能特性及其稳定性
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作者 肖齐龙 刘洋 +2 位作者 黄椿 吴文娟 曾体贤 《电子元件与材料》 北大核心 2025年第4期368-376,383,共10页
面向下一代脉冲功率电容器,BNT基陶瓷凭借高储能密度和环保性成为理想电介质,但其在极端工况下的温频稳定性不足限制了其应用。采用固相法制备0.6(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_(3)-0.4(Sr_(0.7)Bi_(0.2))TiO_(3)-x%SnNb_(2)O_(7)(BNT-SBT-x%SN... 面向下一代脉冲功率电容器,BNT基陶瓷凭借高储能密度和环保性成为理想电介质,但其在极端工况下的温频稳定性不足限制了其应用。采用固相法制备0.6(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_(3)-0.4(Sr_(0.7)Bi_(0.2))TiO_(3)-x%SnNb_(2)O_(7)(BNT-SBT-x%SN,其中x=0.2~1.2)陶瓷,研究Sn^(4+)/Nb^(5+)共掺对结构、介电、铁电和应变性能的影响,探究其储能特性及其稳定性。结果表明,所有样品为钙钛矿结构,适量掺杂(x<0.6)时Sn^(4+)/Nb^(5+)进入晶格引起晶胞收缩,过量掺杂则析出Bi_(2)Ti_(2)O_(7)杂相。异价离子共同占位形成的局域随机场破坏铁电长程有序,形成弱耦合极性纳米微区(PNRs),诱发强弛豫(1.89<γ<2.07)。优化组分为x=0.4时,材料在30~300℃展现优异的介电稳定性(-15%<Δε_(r)/ε_(r(150℃))<+5%),同时获得最高储能密度W_(1)=0.8048 J/cm^(3)(ΔP=26.23μC/cm^(2))和效率η=81.06%。稳定性测试表明,该组分在30~180℃温域内W_(1)变化<15%,η波动<4%;在1~50 Hz频域内W_(1)变化<5%,η波动<6.9%,这源于PNRs在外场扰动下保持动态极化响应,且无显著相变发生。综合来看,通过Sn^(4+)/Nb^(5+)共掺实现A/B位协同调控,实现弛豫特性与储能稳定性的平衡,为无铅脉冲功率电容器设计提供了具有宽温频域适应性的候选材料体系。 展开更多
关键词 BNT陶瓷 Sn^(4+) Nb^(5+) 弛豫特性 储能特性 稳定性
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LiSbO_(3)掺杂对KNN基无铅压电陶瓷结构及压电性能的影响
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作者 龙海洋 王涛 +6 位作者 曹俊 李艳辉 马汝成 李晓硕 王博超 刘志存 方姣 《材料导报》 北大核心 2025年第23期1-9,共9页
压电陶瓷在高压电性、高功率等场景(如换能器、压电发电机等)中的应用呈增长趋势。为避免压电器件在高温工况下失效,较高的机械品质因数(Mechanical quality factor,Q_(m))是必要条件。大量研究工作表明,压电系数与机械品质因数等参数... 压电陶瓷在高压电性、高功率等场景(如换能器、压电发电机等)中的应用呈增长趋势。为避免压电器件在高温工况下失效,较高的机械品质因数(Mechanical quality factor,Q_(m))是必要条件。大量研究工作表明,压电系数与机械品质因数等参数呈现出此消彼长的关系,这使得压电材料在保持高压电系数的同时提高机械品质成为巨大挑战。本工作采用固相烧结法制备了(1-x)(K_(0.44)Na_(0.56)Nb_(0.98)Ta_(0.02)O_(3))-xLiSbO_(3)(x=0.01、0.02、0.03、0.04)陶瓷,简称(KNNT-LS)。结果表明,加入适量的LiSbO_(3)可以形成R-O(低温)、O-T(室温)相边界,相结构转变温度趋近于室温,从而可以构建R-O-T共存相,这有利于协同调制提高压电性能,扩大高功率压电器件的工作温度范围。第二相晶粒增多及氧空位的出现强化了钉扎效应,提高了陶瓷的Q_(m)值。在x=0.02(d_(33)=248 pC/N、T_(C)=379℃、Q_(m)=145、ε_(r)=33650(1 kHz、379℃))时陶瓷性能达到最优。此外,通过调控掺杂组分与氧空位的含量,机械品质因数(Q_(m))获得了显著改善。本研究有助于理解该体系掺杂组分引起的多相共存的本质以及氧空位对压电性能的影响,在大功率器件领域具有广阔应用潜力。 展开更多
关键词 铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 相变 微观结构 氧空位 机械品质因数
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Mechanism for Hydrothermal-carbothermal Synthesis of AlN Nanopowders
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作者 FENG Guanzheng YANG Jian +3 位作者 ZHOU Du CHEN Qiming XU Wentao ZHOU Youfu 《无机材料学报》 北大核心 2025年第1期104-110,I0009-I0011,共10页
Currently,the carbothermal reduction-nitridation(CRN)process is the predominant method for preparing aluminum nitride(AlN)powder.Although AlN powder prepared by CRN process exhibits high purity and excellent sintering... Currently,the carbothermal reduction-nitridation(CRN)process is the predominant method for preparing aluminum nitride(AlN)powder.Although AlN powder prepared by CRN process exhibits high purity and excellent sintering activity,it also presents challenges such as the necessity for high reaction temperatures and difficulties in achieving uniform mixing of its raw materials.This study presents a comprehensive investigation into preparation process of AlN nanopowders using a combination of hydrothermal synthesis and CRN.In the hydrothermal reaction,a homogeneous composite precursor consisting of carbon and boehmite(γ-AlOOH)is synthesized at 200℃using aluminum nitrate as the aluminum source,sucrose as the carbon source,and urea as the precipitant.During the hydrothermal process,the precursor develops a core-shell structure,with boehmite tightly coated with carbon(γ-AlOOH@C)due to electrostatic attraction.Compared with conventional precursor,the hydrothermal hybrid offers many advantages,such as ultrafine particles,uniform particle size distribution,good dispersion,high reactivity,and environmental friendliness.The carbon shell enhances thermodynamic stability of γ-Al_(2)O_(3) compared to the corundum phase(α-Al_(2)O_(3))by preventing the loss of the surface area in alumina.This stability enables γ-Al_(2)O_(3) to maintain high reactivity during CRN process,which initiates at 1300℃,and concludes at 1400℃.The underlying mechanisms are substantiated through experiments and thermodynamic calculations.This research provides a robust theoretical and experimental foundation for the hydrothermal combined carbothermal preparation of non-oxide ceramic nanopowders. 展开更多
关键词 aluminum nitride carbothermal reduction-nitridation MECHANISM hydrothermal synthesis PRECURSOR
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Low Temperature Sintering of ZnAl_(2)O_(4) Ceramics with CuO-TiO_(2)-Nb_(2)O_(5) Composite Oxide Sintering Aid
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作者 YANG Yan ZHANG Faqiang +3 位作者 MA Mingsheng WANG Yongzhe OUYANG Qi LIU Zhifu 《无机材料学报》 北大核心 2025年第6期711-718,I0009-I0011,共11页
ZnAl_(2)O_(4) and ZnAl_(2)O_(4)-based ceramics have attracted much attention from researchers due to their good microwave dielectric,thermal and mechanical properties.In this work,the influence of 5%(in mass)CuO-TiO_(... ZnAl_(2)O_(4) and ZnAl_(2)O_(4)-based ceramics have attracted much attention from researchers due to their good microwave dielectric,thermal and mechanical properties.In this work,the influence of 5%(in mass)CuO-TiO_(2)-Nb_(2)O_(5)(CTN)ternary composite oxide additives with different composition ratios on sintering behavior and properties of ZnAl_(2)O_(4) microwave dielectric ceramics was investigated.When the molar fraction ranges of Cu,Ti and Nb elements in 5%CTN additives are 0.625-0.875,0-0.250 and 0.125-0.625,respectively,sintering temperature of ZnAl_(2)O_(4) ceramics can be reduced from above 1400℃to below 1000℃.The sintering additives CN(Cu:Nb=1:1,molar ratio)and CTN(Cu:Ti:Nb=4:1:3,molar ratio)can reduce sintering temperature of ZnAl_(2)O_(4) ceramics to 975 and 1000℃,respectively,while maintaining good dielectric properties(dielectric constantε_(r)=11.36,quality factor Q׃=8245 GHz andε_(r)=9.52,Q׃=22249 GHz)and flexural strengths(200 and 161 MPa),which are expected to be applied in preparation of low temperature co-fired ceramic(LTCC)materials with copper electrodes.Low-temperature sintering of the ZnAl_(2)O_(4)+CTN system is characterized as activated sintering.Nanometer-level amorphous interfacial films containing Cu,Ti,and Nb elements are observed at the grain boundaries,which may provide fast diffusion pathways for mass transportation during the sintering process.Valence changes of Ti and Cu ions,along with changes of oxygen vacancies,are confirmed,which provides a potential mechanism for reduced sintering temperature of ZnAl_(2)O_(4) ceramics.In addition,a series of reactions occurring at the grain boundaries can activate these boundaries and further promote the sintering densification process.These results suggest a promising way to design a novel LTCC material with excellent properties based on the low temperature sintering of ceramics with the sintering aid of CuO-TiO_(2)-Nb_(2)O_(5) composite oxide. 展开更多
关键词 ZnAl_(2)O_(4) CuO-TiO_(2)-Nb_(2)O_(5) low-temperature sintering microwave dielectric ceramic low temperature co-fired ceramic
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梁宽对驰振式磁耦合压电俘能器的性能优化
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作者 陈梓豪 张录英 +2 位作者 周闯 刘玉强 丁江 《压电与声光》 北大核心 2025年第4期721-731,共11页
梁宽作为驰振式磁耦合压电俘能器(GMPEH)的主要结构参数,对GMPEH的性能优化具有重要意义。一方面,梁宽过大会导致系统刚度过高,增大起振所需的外部激励阈值;另一方面,梁宽过小则会导致压电材料的有效面积不足,降低输出电压。由此构建了G... 梁宽作为驰振式磁耦合压电俘能器(GMPEH)的主要结构参数,对GMPEH的性能优化具有重要意义。一方面,梁宽过大会导致系统刚度过高,增大起振所需的外部激励阈值;另一方面,梁宽过小则会导致压电材料的有效面积不足,降低输出电压。由此构建了GMPEH的数学模型并利用输出解析解进行参数分析,提出了利用梁宽对GMPEH性能优化的方法。首先建立GMPEH的常微分动力学方程并利用谐波平衡法得到输出响应解析解,再通过数值计算和实验对比分析,探究GMPEH的输出特性并确定梁宽与输出功率的影响关系,提出性能优化方法,最后对比两种不同梁宽GMPEH的输出功率,验证方法的正确性。结果表明,当压电梁的宽度变小时,压电耦合系数的绝对值变小,进而减小系统耦合电阻尼的极大值,增大平均输出功率的极小值。 展开更多
关键词 压电俘能 驰振力 磁力耦合 变宽度梁 机电耦合模型
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Effect of Ga^(3+) Doping on Crystal Structure Evolution and Microwave Dielectric Properties of SrAl_(2)O_(8) Ceramic
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作者 YIN Changzhi CHENG Mingfei +5 位作者 LEI Weicheng CAI Yiyang SONG Xiaoqiang FU Ming LÜWenzhong LEI Wen 《无机材料学报》 北大核心 2025年第6期704-710,共7页
The feldspar-based microwave dielectric ceramic with low relative permittivity(εr)and excellent mechanical properties has attracted much attention in the fifth-generation wireless communication technology.In this wor... The feldspar-based microwave dielectric ceramic with low relative permittivity(εr)and excellent mechanical properties has attracted much attention in the fifth-generation wireless communication technology.In this work,a series of microwave dielectric ceramic SrAl_(2-x)Ga_(x)Si_(2)O_(8)(0.1≤x≤2.0)was synthesized using the traditional solid-state method.X-ray diffraction pattern indicates that Ga^(3+)can be dissolved into Al^(3+),forming a solid solution.Meanwhile,substitution of Ga^(3+)for Al^(3+)can promote the space group transition from I2/c(0.1≤x≤1.4)to P21/a(1.6≤x≤2.0)with coefficient of thermal expansion(CTE)increasing from 2.9×10^(-6)℃^(-1) to 5.2×10^(-6)℃^(-1).During this substitution,the phase transition can significantly improve the structural symmetry to enhance the dielectric properties and mechanical properties.Rietveld refinement results indicate that Ga^(3+)averagely occupied four Al^(3+)compositions to form solid solution.All ceramics have a dense microstructure and high relative density above 95%.An ultralower of 5.8 was obtained at x=1.6 composition with high quality factor(Q´f)of 50700 GHz and negative temperature coefficients of resonant frequency(tf)of approximately−35×10^(-6)℃^(-1).The densification temperature can be reduced to 940℃by adding 4%(in mass)LiF,resulting in good chemical compatibility with Ag electrode.Meanwhile,negativetf can be tuned to near-zero(+3.7×10^(-6)℃^(-1))by adding CaTiO_(3) ceramic. 展开更多
关键词 ion substitution microwave dielectric ceramic dielectric property low-temperature co-fired ceramic
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高T_c铋层状压电陶瓷结构与性能 被引量:71
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作者 晏海学 李承恩 +1 位作者 周家光 朱为民 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2000年第2期209-220,共12页
综述了铋层状压电陶瓷的结构特点及性能研究.铋层状压电陶瓷的结构由(Bi2O2)2+层和钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2-按一定规则共生排列而成.此处 A为适合干 12配位的离子;B为适合于八面体配位的离子,m为一整... 综述了铋层状压电陶瓷的结构特点及性能研究.铋层状压电陶瓷的结构由(Bi2O2)2+层和钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2-按一定规则共生排列而成.此处 A为适合干 12配位的离子;B为适合于八面体配位的离子,m为一整数,其值一般为1~5.与钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(PZT)陶瓷相比,铋层状压电陶瓷具有以下特点:低介电常数、高Tc、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率等. 先前研究证明,居里温度不仅与极化原子位移、自发极化强度、A位Bi含量有关,而且还与取代离子的特性诸如离子半径、电负性、核外电子排布有关.压电活性低是铋层状陶瓷的本质缺点,通常发展该材料的途径为化学取代或晶粒取向技术.研究材料结构与性能之间的关系有助于发展铋层状压电陶瓷材料. 展开更多
关键词 层状结构 性能 居里点 压电陶瓷 结构
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