材料参数库
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当前有效范围
第一阶段机械模型只使用点阵打印材料。实际氧化铝均压板、PZT和夹盒的参数不进入刚性压板下的第一阶段模型。PZT表仅记录采购候选，不是当前COMSOL压电材料定义。
一、参数状态与使用顺序
1.1 状态定义
| 状态 | 含义 | 是否可用于正式模型 |
|---|---|---|
正式实测 | 来自本项目同批材料或到货器件的独立测量 | 可以 |
正式数据表 | 来自正式采购牌号和批次的供应商完整数据表 | 核对单位和条件后可以 |
文献暂用 | 本地数据缺失时采用的明确文献值 | 可以用于预分析，必须标注 |
候选参考 | 用于材料或采购比较的参数 | 不作为正式模型输入 |
待确认 | 单位、测试条件、批次或数值尚未确认 | 不可以 |
禁止拼接 | 从其他牌号或供应商借用后组成的参数 | 不可以 |
1.2 来源优先级
正式材料输入按以下顺序确定：
- 与正式点阵同批打印的独立材料试样实测值；
- 正式采购牌号和批次的供应商数据表；
- 与本项目材料和测试方向相符的公开文献；
- 导师论文的ABS Plus参数作为当前机械模型的暂用值。
不得为了补齐参数而混用不同材料牌号、不同供应商或不同测试方向的数据。每个模型必须保存材料参数版本和来源。
二、点阵打印材料
2.1 正式材料身份
| 项目 | 正式记录 | 来源/日期 |
|---|---|---|
| 材料类别 | — | ABS Plus优先；无法取得时记录为本地ABS |
| 厂家及商品名 | — | — |
| 材料批号 | — | — |
| 颜色 | — | — |
| 丝材直径及实测范围 | — | — |
| 储存和干燥条件 | — | — |
| 打印设备 | — | 3D打印工艺参数 |
| 打印方向 | — | 3D打印工艺参数 |
| 切片与后处理版本 | — | 3D打印工艺参数 |
通用ABS、不同厂家的ABS和导师论文所用ABS Plus不能自动视为同一种材料。若正式样品不是ABS Plus，研究表述应改为“基于导师几何的本地ABS拓扑复现”，不声称复现导师论文的绝对材料性能。
2.2 第一阶段机械参数
| 参数 | 符号 | 正式采用值 | 单位 | 当前暂用值 | 状态与来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 压缩弹性模量 | — | GPa | 1.80 | 文献暂用：导师论文Table 2 | |
| 泊松比 | — | — | 0.36 | 文献暂用：导师论文Table 2 | |
| 密度 | — | kg/m³ | 1020 | 文献暂用：导师论文Table 2 |
“正式采用值”必须填写实际进入COMSOL模型的数值。只要仍使用暂用值，就同时保留暂用状态，不把其写成本地材料实测结果。
导师论文还报告了2.2 GPa拉伸模量，但本项目第一阶段为压缩模型，不能用该值替代压缩模量。屈服强度、极限强度和断裂伸长率不进入当前0–0.10 mm线弹性模型。
以下内容属于模型设置，不是材料常数：
2.3 独立材料测量
若条件允许，使用与正式点阵相同材料批次、打印方向和主要工艺条件的独立试样测量压缩参数。试样形式、测试标准和拟合区间尚未确定，应在测试前冻结。
| 测量批次 | 试样及标准 | 打印方向 | 有效 | 均值 (GPa) | SD (GPa) | 95%置信区间 | 密度 (kg/m³) | 原始文件 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAT-01 | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
独立试样测得的可以作为六构型共同输入。若用六构型本身的力–位移结果反算，相应构型属于校准数据，不能再用同一数据声称模型得到独立验证。
2.4 材料方向性
FDM样品可能具有方向性。当前各向同性模型是第一阶段简化，不代表已经证明本地打印材料各向同性。
| 项目 | 当前状态 | 后续处理 |
|---|---|---|
| 构建方向与加载方向 | 待记录 | 与正式样品保持一致 |
| 栅格或道路方向 | 待记录 | 由切片文件确认 |
| 方向性材料参数 | 尚无 | 有独立测量后再建立 |
| 各向同性模型影响 | 未知 | 作为敏感性或局限性报告 |
三、第一阶段其他部件
| 部件 | 第一阶段处理 | 是否需要材料参数 |
|---|---|---|
| 上压板 | 刚性域或等效刚性边界 | 否 |
| 下压板 | 刚性域或等效刚性边界 | 否 |
| PZT | 不建模 | 否 |
| 实际氧化铝均压板 | 不建模 | 否 |
| PZT夹盒 | 不建模 | 否 |
若后续将氧化铝均压板建为弹性体，必须记录实际材料牌号、弹性模量、泊松比、密度和尺寸；不能继续沿用“刚性板”假设并同时讨论氧化铝板变形。当前仅以96%及以上的致密氧化铝作为询价方向，不将通用材料典型值写成正式仿真输入。
氧化铝的可用性能范围参考CoorsTek Advanced Alumina，研磨加工能力参考CeramTec精密陶瓷加工说明。这两项资料只用于确认方案可行性，正式模型仍使用实际采购牌号的数据表和检验记录。
四、三个供应渠道的PZT候选
4.1 候选参数
以下数值来自三份供应商参数转录表，只用于采购和仪器范围评估。正式六构型实验最终只能采用一个供应商、一个牌号和同一生产批次。
| 渠道 | 当前候选 | (pC/N) | 当前状态 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 供应商1 | PZT-4 | 1350 | 320 | 0.3% | 1000 | 候选参考 |
| 供应商2 | P-82 | 1700 | 370 | 0.5% | 2000 | 优先候选，供货待确认 |
| 供应商3 | PbaS-4 | 1900 | 380 | 0.5% | 2200 | 候选参考 |
原始来源：
供应商2工作簿中的和单位存在疑问，必须取得供应商书面确认。确认前，P-82的值既不用于跨供应商比较，也不进入定量模型。
不能证明1 Hz重复压缩稳定性；介质损耗、尺寸公差和批次离散仍需通过到货检查和预实验确认。
4.2 目标器件状态
| 项目 | 当前目标 | 正式值/状态 |
|---|---|---|
| 优先牌号 | 供应商2 P-82 | 供货待确认 |
| 同渠道次选 | P-81 | 仅在P-82不能按规格供货时评估 |
| 形状 | 圆片 | — |
| 直径 | Ø25 mm | 待供应商公差及到货实测 |
| 厚度 | 0.8 mm | 待供应商公差及到货实测 |
| 极化 | 厚度方向 | 待供应商标识确认 |
| 电极 | 双面银电极 | 待确认 |
| 基板 | 无基板 | 待确认 |
| 生产批次 | 同一批次 | 待确认 |
目标尺寸是器件几何要求，不等同于已经取得该尺寸的完整材料参数。
五、压电耦合模型所需数据
单个、相对介电常数、杨氏模量和泊松比不足以建立可靠的三维压电耦合模型。若第二阶段确需压电仿真，应从正式供应商取得同一牌号的一套完整参数，不能跨牌号补齐。
| 参数组 | 所需内容 | 当前状态 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 弹性参数 | 完整弹性刚度或柔度矩阵，并注明恒电场或恒电位移条件 | 待取得 | 机械响应 |
| 压电参数 | 完整、或等价矩阵及坐标约定 | 待取得 | 机电耦合 |
| 介电参数 | 各方向介电常数，并注明恒应力或恒应变条件及测量频率 | 待取得 | 电场响应 |
| 密度 | 正式牌号密度 | 待取得 | 动态模型 |
| 损耗参数 | 介质、机械和压电损耗的适用形式 | 待取得 | 频率或损耗模型 |
| 极化信息 | 极化轴、正负电极及材料坐标 | 待确认 | 坐标和符号 |
| 允许工况 | 最大压应力、电场、温度及使用限制 | 待取得 | 安全边界 |
| 参数条件 | 测量温度、频率、误差和批次 | 待取得 | 参数适用性 |
若供应商只能提供标量选型参数，第二阶段可以建立范围估算或简化模型，但不能将其写成已经得到材料数据支持的定量预测。
禁止的补参方式
- 不从其他供应商的相近软、硬质PZT借用；
- 不用另一牌号的杨氏模量和泊松比替代正式牌号；
- 不把未注明恒应力或恒应变条件的介电常数直接填入矩阵；
- 不因仿真结果与实验不符而逐项反调参数；
- 不把估算的开路电压当作材料参数验证。
六、正式PZT到货测量
到货测量用于筛选正式区组并核对电路负载，不自动构成完整压电材料矩阵。详细原始记录保存于电学测试记录。
| 区组 | PZT编号 | 供应商/牌号/批次 | 直径 (mm) | 厚度 (mm) | (nF) | (%) | 极性 | 状态 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| B1 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| B2 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| B3 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| B4 | — | — | — | — | — | — | — | — |
| B5 | — | — | — | — | — | — | — | — |
实测用于计算公共负载并检查批次离散。若后续压电模型计算的电容与实测值不符，应先检查几何、介电参数条件、边缘电场和测量频率，不能直接缩放使其匹配。
七、第二阶段其他材料
以下材料只有在实验结果触发相应模型时才补充：
| 材料或部件 | 需要的参数 | 当前状态 | 启动条件 |
|---|---|---|---|
| 氧化铝均压板 | 材料牌号、、、密度、实际尺寸；需要电学模型时再补充电气参数 | 待采购后确认 | 研究均压板柔度、局部接触或完整装置 |
| 电极层 | 材料、厚度、电导率 | 待供应商确认 | 电极需显式建模时 |
| 引线或焊点 | 材料和几何 | 待确认 | 研究局部边界影响时 |
氧化铝均压板和夹盒在实验中必须记录，但第一阶段机械点阵模型不应为了“完整”而加入尚未确定的材料。
八、材料版本与六构型一致性
| 构型 | 材料版本 | (GPa) | (kg/m³) | 模型类型 | 是否与其他构型一致 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SS | — | — | — | — | — | — |
| BCC | — | — | — | — | — | — |
| FCC | — | — | — | — | — | — |
| CB | — | — | — | — | — | — |
| DC | — | — | — | — | — | — |
| TC | — | — | — | — | — | — |
六构型参考模型必须使用同一材料版本。实际质量差异不能通过为各构型设置不同密度或弹性模量来补偿。
参数敏感性范围
敏感性范围不能在查看哪个范围最接近实验后再确定。
九、参数库完成检查
- 正式打印材料的厂家、商品名和批次已经记录；
- 第一阶段正式、和已有明确来源；
- 文献暂用值与本地实测值已经分开；
- 六构型使用同一材料版本；
- 未使用拉伸模量替代压缩模量；
- 未使用样品质量差异调整各构型材料参数；
- PZT候选参数未进入第一阶段机械模型；
- 正式PZT供应商、牌号、批次和尺寸尚未确认时保持待定；
- 未从其他PZT牌号或供应商拼接缺失参数；
- 第二阶段压电耦合所需完整参数已经列出；
- 所有模型保存了材料参数版本和单位。