《材料物理性能》全套PPT課件

《材料物理性能》全套PPT課件,材料物理性能,材料,物理性能,全套,PPT,課件 材料物理性能PhysicalPropertiesofMaterials緒言背景本課程的特點(diǎn)：本課程的內(nèi)容：教學(xué)安排：學(xué)習(xí)本課程的要求：教材及參考文獻(xiàn)：材料是社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)材料是社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分，如石器時代、青銅器時代、鐵器(鋼鐵)時代、.背景材料、信息和能源當(dāng)今世界的三大支柱。材料：概念廣泛而抽象，在實(shí)際生活中則是具體而生動的，往往體現(xiàn)在每一應(yīng)用典范上，以某一特定性能呈現(xiàn)在人們面前。材料無處不在材料無處不在傳感器件半導(dǎo)體芯片半導(dǎo)體技術(shù)液晶材料光學(xué)材料金屬材料磁性材料移動通訊數(shù)碼拍照拍照功能顯示功能金屬外殼信號接受對話功能電子線路照片存儲功能材料介電材料材料種類繁多材料種類繁多能源材料金屬材料無機(jī)非金屬材料光電材料有機(jī)高分子材料智能材料生物材料生態(tài)環(huán)境材料復(fù)合材料單晶多晶非晶液晶建筑材料航空航天材料結(jié)構(gòu)材料功能材料信息材料準(zhǔn)準(zhǔn)晶晶材料的分類材料的分類 按狀態(tài)分，按狀態(tài)分，材料可分為材料可分為單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶液晶 從成分的角度從成分的角度，材料則可分為，材料則可分為無機(jī)材料與有機(jī)材料無機(jī)材料與有機(jī)材料從應(yīng)用來看，從應(yīng)用來看，材料可分為材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料材料、航空航天材料等。等。根據(jù)材料的用途，根據(jù)材料的用途，材料可分為材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)構(gòu)材料和功能材料根據(jù)材料的用途，材料有共通性材料有共通性制備、使用過程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相似。單晶多晶非晶準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)、缺陷行為平衡熱力學(xué)擴(kuò)散、界面結(jié)構(gòu)與行為材料相變機(jī)理電子遷移及電性能從物理學(xué)的角度，從微觀的角度來闡述材料中的種種規(guī)律是很重要的。學(xué)科體系學(xué)科體系 材料物理與化學(xué)材料物理與化學(xué) 凝聚態(tài)物理、基礎(chǔ)化學(xué)與材料學(xué)的交叉，研究材料的合凝聚態(tài)物理、基礎(chǔ)化學(xué)與材料學(xué)的交叉，研究材料的合成路徑、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的形成機(jī)理；成路徑、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的形成機(jī)理；正確理解正確理解 材料學(xué)材料學(xué) 采用科學(xué)的方法，觀察材料的組織、結(jié)構(gòu)，檢測材料的采用科學(xué)的方法，觀察材料的組織、結(jié)構(gòu)，檢測材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，合理評價(jià)材料的使用性能；在金力學(xué)、物理和化學(xué)性能，合理評價(jià)材料的使用性能；在金相尺度上，初步探討結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系；相尺度上，初步探討結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系；科學(xué)評價(jià)科學(xué)評價(jià) 材料加工材料加工 制定合適的方法和工藝，合成、制備具有期望性能的材制定合適的方法和工藝，合成、制備具有期望性能的材料；料；高效制備高效制備 材料物理性能課程特點(diǎn)v材料物理性能涉及到材料科學(xué)和工程兩個部材料物理性能涉及到材料科學(xué)和工程兩個部分。性能的物理本質(zhì)部分告訴我們分。性能的物理本質(zhì)部分告訴我們“為什么為什么”，工藝，工藝結(jié)構(gòu)、性能及其測試分析技術(shù)告結(jié)構(gòu)、性能及其測試分析技術(shù)告訴我們訴我們“如何做如何做”，其載體和橋梁就是具體，其載體和橋梁就是具體的功能材料。的功能材料。物理本質(zhì)物理本質(zhì)材料科學(xué)材料科學(xué)工程工程是什么？是什么？為什么？為什么？如何做如何做？功能材料功能材料物理物理科學(xué)科學(xué)材料科學(xué)材料物理物理學(xué)概念、原理等物理學(xué)模型材料性能從物理學(xué)的一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，并建立相應(yīng)的物理模型，力圖闡述材料本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們在各種外界條件下發(fā)生的變化及其變化規(guī)律，得出結(jié)論，進(jìn)而指導(dǎo)材料的生產(chǎn)和科學(xué)研究。材料物理學(xué)的定義材料物理學(xué)的定義 材料物理是物理學(xué)和材料學(xué)之間的交叉材料物理是物理學(xué)和材料學(xué)之間的交叉學(xué)科。學(xué)科。材料物理學(xué)的特點(diǎn)材料物理學(xué)的特點(diǎn).它它 旨在利用物理中的一些學(xué)科的成果來闡旨在利用物理中的一些學(xué)科的成果來闡明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。材料物理是研究物質(zhì)的材料物理是研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運(yùn)動狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分運(yùn)動狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分以及它們以及它們之間相互關(guān)系的學(xué)科。之間相互關(guān)系的學(xué)科。1.2材料物理學(xué)的特點(diǎn)材料物理和材料科學(xué)的關(guān)系材料物理和材料科學(xué)的關(guān)系3.材料物理的基本研究指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用。1.息息相關(guān)、相互促進(jìn)和共同發(fā)展2.材料物理研究課題來源于材料、對象也是材料，都是生產(chǎn)、科研中提出來的新問題。一方面，材料物理所研究的一些主要課題往往是從生產(chǎn)實(shí)踐中提出來的 舉例1：金屬材料：強(qiáng)度、范性低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）納米點(diǎn)（0維），尺寸效應(yīng)。陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術(shù)，微結(jié)構(gòu)舉例舉例2 2：由于工藝上的突破并實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的“金屬玻璃”，因而金屬玻璃的力學(xué)性質(zhì)、磁性、超導(dǎo)電性等實(shí)際問題的研究也就隨之提出；由于電子技術(shù)、激光、紅外技術(shù)的需要，研究電介質(zhì)材料就由研究絕緣體的四大參數(shù)逐步擴(kuò)展到研究物質(zhì)的電極化過程；為了發(fā)展耐高溫的材料，推動了對于金屬或陶瓷的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變、氧化及擴(kuò)散的研究等等。另一方面，將材料物理的基本研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，也會發(fā)揮很大的作用 再結(jié)晶結(jié)構(gòu)的研究顯著地改進(jìn)了硅鋼片的質(zhì)量利用非晶硒的光導(dǎo)特性的研究成果，發(fā)展了新的靜電復(fù)印技術(shù)；集成鐵電學(xué)的研究，促進(jìn)了鐵電存儲器的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)。舉例：材料的性能本質(zhì)材料的性能本質(zhì)性能本質(zhì)性能本質(zhì)：外界因素（作用物理量）作用于某一物體，外界因素（作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場磁場、光照如：外力、溫度梯度、外加電場磁場、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運(yùn)等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運(yùn)動，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，動，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，感應(yīng)物理感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料的性能。材料的性能。作用物理作用物理量量 感應(yīng)感應(yīng) 物理量物理量公式公式材料內(nèi)部的材料內(nèi)部的 變化變化 材料材料 性性 能能性能的性能的 種類種類應(yīng)力應(yīng)力 形變形變 =S 原子發(fā)生相原子發(fā)生相對位移對位移柔性系數(shù)柔性系數(shù)力學(xué)性能力學(xué)性能表面電荷表面電荷密度密度DD=C 原子發(fā)生相原子發(fā)生相對位移引起對位移引起偶極矩的變偶極矩的變化化壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電性能壓電性能溫差溫差t形變形變 =t原子發(fā)生位原子發(fā)生位移移熱膨脹系熱膨脹系數(shù)數(shù)熱學(xué)性能熱學(xué)性能熱量熱量QQ=Ct原子振動加原子振動加強(qiáng)強(qiáng)熱容熱容熱學(xué)性能熱學(xué)性能溫差電動溫差電動勢勢V=t載流子的定載流子的定向運(yùn)動向運(yùn)動溫差電動溫差電動勢系數(shù)勢系數(shù)導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能溫度溫度梯度梯度dt/dx熱流密熱流密度度qq=kdt/dx原子熱振動的相互原子熱振動的相互作用作用熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱學(xué)熱學(xué)性能性能 電電 場場 E電流電流密度密度JJ=E荷電離子遠(yuǎn)距離的荷電離子遠(yuǎn)距離的移動移動電導(dǎo)率電導(dǎo)率導(dǎo)電導(dǎo)電性能性能極化強(qiáng)極化強(qiáng)度度PP=0E宏宏觀電場觀電場荷電離子短距離的荷電離子短距離的移動移動介質(zhì)電極化介質(zhì)電極化率率介電介電性能性能離子的離子的偶極矩偶極矩 =E局部電場局部電場原子核與周圍電子原子核與周圍電子發(fā)生短距離的移動發(fā)生短距離的移動離子的極化離子的極化率率介電介電性能性能材料的材料的形變形變 =d E偶極矩的變化偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電壓電性能性能v研究內(nèi)容研究內(nèi)容物理性能與材料的成分、結(jié)物理性能與材料的成分、結(jié) 構(gòu)、工藝過程的關(guān)系及其變化規(guī)律。構(gòu)、工藝過程的關(guān)系及其變化規(guī)律。v“物性物性”還隨材料的使用（或?qū)嶒?yàn)）環(huán)境變還隨材料的使用（或?qū)嶒?yàn)）環(huán)境變化的。這些環(huán)境包括溫度、壓力、電場、磁化的。這些環(huán)境包括溫度、壓力、電場、磁場、輻照、化學(xué)介質(zhì)、力場等等。場、輻照、化學(xué)介質(zhì)、力場等等。熱學(xué)熱學(xué)性能性能電學(xué)電學(xué)性能性能光學(xué)光學(xué)性能性能 材料物理性能材料物理性能磁學(xué)磁學(xué)性能性能聲學(xué)聲學(xué)性能性能前景高技術(shù)發(fā)展對材料的性能要求不斷提高；材料設(shè)計(jì)技術(shù)正在興起智能材料；材料研究的一種方法揭示材料物理性能的物理本質(zhì)，物理性能與材料成分、結(jié)構(gòu)工藝過程的關(guān)系及環(huán)境穩(wěn)定性?！靶虏牧闲虏牧稀迸c與“高技術(shù)高技術(shù)”所謂所謂“新材料新材料”，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材料，在成分、組織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。所謂所謂“高技術(shù)高技術(shù)”，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進(jìn)人類社會更快進(jìn)步的技術(shù)高效益，能促進(jìn)人類社會更快進(jìn)步的技術(shù)。高技術(shù)引入大量新材料，二者相輔相成。其中一個最突高技術(shù)引入大量新材料，二者相輔相成。其中一個最突出的例子是：半導(dǎo)體材料及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不出的例子是：半導(dǎo)體材料及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷突破，使電子計(jì)算機(jī)的體積越來越小，能力卻成千斷突破，使電子計(jì)算機(jī)的體積越來越小，能力卻成千上萬倍地提高。上萬倍地提高。材料物理性能課程內(nèi)容初步介紹材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及彈性和內(nèi)耗性能的物理本質(zhì)；描述這些性能與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝過程的關(guān)系及變化規(guī)律；介紹與物理性能相關(guān)的特殊材料；介紹與這些物理性能相關(guān)的測試技術(shù)與分析方法。v本課程的內(nèi)容龐雜，每章都自成體系。從四本課程的內(nèi)容龐雜，每章都自成體系。從四個方面進(jìn)行學(xué)習(xí)：個方面進(jìn)行學(xué)習(xí)：基本概念基本概念、物理本質(zhì)物理本質(zhì)、影影響因素響因素和和分析應(yīng)用分析應(yīng)用。v學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求：v1 1、掌握基本概念、掌握基本概念v2 2、定性了解各種物理性能的物理本質(zhì)、定性了解各種物理性能的物理本質(zhì)v3 3、會分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果會分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果建議先修課程：普通物理、物理化學(xué)、固體物理(或材料物理)及相關(guān)數(shù)學(xué)知識（張量、矩陣）本課程：掌握材料物理性能的基本參數(shù)的物理意義及其本質(zhì)；熟練掌握材料物理參數(shù)與成分、結(jié)構(gòu)的關(guān)系及影響因素，為設(shè)計(jì)新材料和材料改性打下一定基礎(chǔ)；熟練掌握材料物理性能的測量方法及其分析方法。材料物理性能教材及參考資料教材及參考資料：1材料物理性能，田蒔主編，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年2無機(jī)材料物理性能，關(guān)振鐸，張中太，焦金生，清華大學(xué)出版社3晶體的物理性質(zhì)，J.F.Nye，孟中巖等譯，西安交通大學(xué)出版社，1994年3PropertiesofMaterials,MaryAnneWhite,OxfordUniversityPress4功能材料學(xué)，周馨娥，北京理工大學(xué)出版社5半導(dǎo)體物理學(xué)，李名復(fù)等，科學(xué)出版社6電介質(zhì)物理學(xué)，殷之文，科學(xué)出版社7鐵電體物理學(xué)，鐘維烈，科學(xué)出版社8鐵電與壓電材料，許煜寰，科學(xué)出版社9鐵磁學(xué)，戴道生，錢昆明，科學(xué)出版社杜克大學(xué)教授戴維史密斯等人說，要制造這種扭曲光波的材料，關(guān)鍵是材料的晶格結(jié)構(gòu)特性，而不是其物質(zhì)構(gòu)成。他們從麥克斯韋方程出發(fā)，推導(dǎo)出了決定材料結(jié)構(gòu)的一套方程式，人們可以按這套方程式來制造隱身材料。視覺隱身材料可以用于軍事領(lǐng)域，讓軍事設(shè)施、部隊(duì)等從敵人眼前“徹底消失”。由于光波屬于電磁波的一種，按他們的方程式也可以設(shè)計(jì)出能讓其他波段電磁波“扭曲”的材料。比如，能讓微波扭曲的材料如果用于無線電通信，就可以減少某些物體對通信的阻礙。其他科學(xué)家在同一期雜志上評論說，所謂“隱身”，實(shí)際上躲不過多波段電磁波的探測，能扭曲一種波的材料，對其他波長的電磁波就無效了。但通過一些改進(jìn)，可以將視覺隱身的效果提高。設(shè)計(jì)簡單，12層結(jié)構(gòu)，5種材料：空氣、鋁、聚乙烯(PE)、PMMA有機(jī)玻璃和聚偏氟乙烯(PVDF)，TM高斯波入射Wanli Lu,JunFeng Jin,Huanyang Chen,and Zhifang Lin,(2010)J Appl Phys,108,064517COMSOLMultiphysics人造光學(xué)黑洞airair,0,加速度狹窄空隙間中的氣隙阻尼現(xiàn)象COMSOLMultiphysics的傳感器仿真From:UniversityofManitobaCOMSOL的梳妝驅(qū)動器仿真?zhèn)鞲衅魇釥铗?qū)動器靜電、結(jié)構(gòu)微米鉗子（頂部）和梳狀驅(qū)動機(jī)制(底部)微型平面電機(jī)散熱及溫度控制COMSOL的微系統(tǒng)散熱仿真該平面電機(jī)的功率為600W工作在強(qiáng)磁場環(huán)境中要求表面溫升不超過1且散熱空間只有306*306*14mm的范圍導(dǎo)體中的缺陷控制方程：涉及到：電學(xué)傳熱學(xué)材料學(xué)模型簡圖導(dǎo)體缺陷電壓接地電絕緣/熱絕緣相變模擬相區(qū)分模型簡化，沒有考慮液化潛熱，以及相變對電場的影響邏輯表達(dá)式：仿真結(jié)果時溫度分布電流分布仿真結(jié)果相變黃銅棒連鑄目的：模擬黃銅棒連鑄過程中溫度分布以及相變情況傳熱分析流速分析組份變化問題分析溫度變化描述：相變前：考慮相變：為高斯曲線曲線流場分析式中F為源項(xiàng)：組份模擬控制方程：結(jié)果分析速度分布圖熱通量曲線流場分布圖自適應(yīng)網(wǎng)格電學(xué)相關(guān)仿真高斯定理高斯定理高斯高斯定理定理庫侖定律庫侖定律電場強(qiáng)度疊加原理電場強(qiáng)度疊加原理在真空中靜電場，穿過任一在真空中靜電場，穿過任一閉合曲面閉合曲面的電場強(qiáng)度通量，等于該曲面的電場強(qiáng)度通量，等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以 .高斯定理高斯定理+有電介質(zhì)時的高斯定理有電介質(zhì)時的高斯定理電電介介質(zhì)質(zhì)q0q q內(nèi)內(nèi)q0內(nèi)內(nèi)S電介質(zhì)：通常說要的絕緣體，電子被原子核束縛麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組電場強(qiáng)度 E E，電位移矢量（電通量密度，或電感應(yīng)強(qiáng)度）D D，磁場強(qiáng)度 H H，磁通量密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）B B，電流密度J J，電荷密度連續(xù)方程：磁矢勢，A電勢，V磁標(biāo)勢，Vm勢：磁化強(qiáng)度矢量，M本構(gòu)關(guān)系：=組織分布對電場影響模型1方形結(jié)構(gòu)為鋁，內(nèi)部圓球?yàn)殂~模型2相圖仿真模型0.1V電壓接地其余邊界為電絕緣控制方程銅電導(dǎo)率：5.998e7S/m鋁電導(dǎo)率：3.774e7S/m仿真結(jié)果模型1電流密度與電勢分布模型2電流密度與電勢分布仿真結(jié)果模型1中線處電流密度與電勢分布模型2中線處電流密度與電勢分布無銅球時電流密度分布y坐標(biāo)3-4cm之間的電勢差1、0.075-0.0667522、0.07452-0.06674電阻抗傳感器本模型模擬導(dǎo)包含一個圓柱空腔的導(dǎo)電黑箱的阻抗分析分析顯示了空腔橫向位置對測量阻抗的影響，這可在后處理步驟中計(jì)算得到?？刂品匠毯瓦吔鐥l件傳導(dǎo)電流和位移電流的連續(xù)性方程變?yōu)椋寒?dāng)忽略感應(yīng)時，電場無旋度，能被表示為標(biāo)量勢V。電場E和電位移D可從V的梯度獲得：求解域的底部和垂直邊為接地邊界條件。上邊除電極外為絕緣，電極上施加1A的均勻分布電流源。黑箱相對介電常數(shù)：5電導(dǎo)率為：1mS/m結(jié)果與討論右圖為算出的阻抗和其相位角與空氣腔坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)腔體在電極下經(jīng)過時，阻抗值出現(xiàn)一個尖銳的峰。下圖為電流密度分布：阻抗曲線電阻抗測量技術(shù)電阻抗測量被用于成像和探測，應(yīng)用范圍包括無損傷測試、地球物理成像和醫(yī)學(xué)成像等電阻抗測量成像半導(dǎo)體二極管一個半導(dǎo)體二極管由兩個不同的摻雜區(qū)組成：一個空穴濃度占優(yōu)勢的p型區(qū)域和一個電子濃度占優(yōu)勢的n型區(qū)域。陽極與p型區(qū)域相連，陰極與n型區(qū)域相連二級管模型問題分析仿真的模型有三個因變量：，n和p。盡管這已經(jīng)是最簡化的模型了，但是仍然具有相當(dāng)強(qiáng)的非線性。求解域方程為：式中：為靜電勢q為元電荷p和n分別為空穴和電子濃度N為電離施主濃度Shockley-Read-Hall復(fù)合正極外加電壓01V負(fù)極問題分析電離施主濃度表達(dá)式為：問題分析邊界電勢n，p初始濃度計(jì)算結(jié)果外加0V電壓時空穴濃度分布外加0V電壓時電子濃度分布外加1V電壓時電子濃度分布外加1V電壓時空穴濃度分布?xì)W司朗LED芯片電流分布仿真在LED設(shè)計(jì)中，通常希望電流的分布比較均勻，而且不產(chǎn)生電擁擠。這個仿真的目的在于分析不同的PN觸點(diǎn)對LED芯片電流分布的影響芯片結(jié)構(gòu)及PN接觸點(diǎn)位置仿真過程在COMSOL可以很方便的定義LED芯片各組成部分的結(jié)構(gòu)、形狀以及性質(zhì)等二極管電流方程三維模型N觸點(diǎn)網(wǎng)格與N層電流方程仿真模型結(jié)果分析芯片電壓分布不同PN觸點(diǎn)形狀下電流密度分布結(jié)果分析不同N接觸點(diǎn)面積下芯片電流分布分分類示意示意圖電介介質(zhì)材料材料電容器模擬模擬了在一個靜電可調(diào)式平行板電容，通過彈簧可以調(diào)節(jié)電容器兩板間的距離，或者改變板間電介質(zhì)的相對介電常數(shù)可以改變電容器的電容值。本模型分析電容器的電勢分布以及電容的大小的物理量。電容器幾何模型相關(guān)理論標(biāo)量電位滿足V滿足：其中是自由空間的介電常數(shù)，是相對介電常數(shù)，是空間電荷密度。電場E和電位移D可由V的梯度得到:電容:計(jì)算機(jī)仿真邊界：-上平板和連桿施加電勢1V-下平板始終為接地電勢電容器間材料：相對介質(zhì)常數(shù)4.2仿真結(jié)果電容器電勢分布電容計(jì)算結(jié)果：電場分布8.87517e-14F壓電材料壓電材料：受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料壓電效應(yīng)：應(yīng)力與電場耦合p正壓電效應(yīng)：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能p逆壓電效應(yīng)：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能壓電石英晶體材壓電石英晶體材料料壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域換能器各類傳感器電聲換能器水聲換能器超聲波換能器壓電式壓力傳感器加速度傳感器.超聲波換能器一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置超聲波探頭起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷無損檢測點(diǎn)火裝置傳感器跳舞機(jī)揚(yáng)聲器壓電驅(qū)動梁模型由一個長為100mm的夾層懸臂梁組成；夾層中心為一個厚度為2mm的泡沫核心，兩側(cè)為8mm厚的鋁制層。另外，泡沫中心增加了一個10mm長的壓電驅(qū)動器，坐標(biāo)為z=55mm和z=65mm之間壓電驅(qū)動梁模型壓電驅(qū)動梁材料屬性壓電材料為PZT-5H材料多為各向異性壓電耦合矩陣：彈性矩陣：絕對介電常數(shù)矩陣：控制方程：力學(xué)電學(xué)仿真邊界（1）該模型的結(jié)構(gòu)力學(xué)邊界條件為懸臂梁在x=0處的邊界 被約束，其他表面均為自由。（2）該模型的靜電邊界條件為壓電材料區(qū)域的上下邊界之 間施加了20V的電勢。這也使得在垂直于x軸的方向上 建立了一個電場，因此在壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)變。仿真結(jié)果位移結(jié)果壓電材料電勢分布壓電聲學(xué)換能器電場電場 壓力場壓力場 聲波場聲波場壓電材料模型壓電材料模型+聲場模型聲場模型V1=100V，V2=0f=200KHZ邊界條件壓電設(shè)備壓電設(shè)備 選擇下邊界：輥支撐，電勢接地；上邊界：邊界載荷（聲壓載荷），電勢100V聲壓設(shè)備聲壓設(shè)備 上邊界：法向加速度（固體應(yīng)力），完美匹配層上邊界下邊界仿真結(jié)果聲壓分布上邊界應(yīng)力與聲壓分布