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能量收集器常用的压电材料
2012-05-30 19:31:44   来源:微迷   评论:0   点击:

压电材料是压电振动能量转换的核心功能材料,是制备高性能压电能量收集器的关键。目前,已经有很多不同的压电材料被广泛用作压电能量收集器的转换材料。

压电材料是压电振动能量转换的核心功能材料,是制备高性能压电能量收集器的关键。目前,已经有很多不同的压电材料被广泛用作压电能量收集器的转换材料。其中,常用的压电材料主要有弛豫铁电单晶(如PMN、PZN、PMN-PT、PZN-PT、PMN-PZT)、压电陶瓷(如锆钛酸铅,即PZT)、压电纤维(如PFC,MFC)、压电聚合物[如PVDF,P(VDF-TrFE)]和压电复合材料(如0-3型和1-3型的PZT-PVDF)。

1 铁电单晶

已见报道用于能量收集器的压电单晶主要有PMN-PT和PMN-PZT。这些材料具有高压电系数、高机电耦合系数、高介电常数、低损耗的特性,尤其是压电性能比传统的PZT压电陶瓷优异很多,且有更广泛的应用领域。然而,目前对弛豫铁电单晶材料作为能量收集器的研究很少,因此对这些材料及其0-3和1-3型复合材料的制备和特性研究是未来很值得探讨的一个领域。

2 压电陶瓷

压电陶瓷是振动能量收集器中应用最广泛的压电材料。早在1969年,美国就有一项专利提出利用一种小型压电悬臂梁收集人体心脏跳动时产生的能量,1998年MIT媒体实验室的研究人员利用PZT和PVDF制作了压电发电鞋;之后有无数研究人员和机构利用PZT进行了压电振动能量收集器的研究。2002年匹兹堡大学的Kim对基于不同振动模式的d31和d33分别进行了模型理论推导,建立了器件结构的几何尺寸和外界机械力对输出能量的影响模型;2003年佛罗里达的Wang就单晶片、双晶片和多片叠层结构进行了有限元理论模型的推导,为提高压电传感器的性能,就电极的形状首次作了数学模型理论研究;2006 年,宾夕法尼亚州立大学的Kim研究了影响能量转换效率的几个重要因素,如机械匹配、阻抗匹配和压电材料的特性参数,同时对收集电路作了较为详细的研究,看提出压电多层结构可以大大提高输出电流和能量的说法;同年,香港大学的Guan等对存储器件如超级电容器和可充电电池作了详细的研究,实验结果表明超级电容器比电池有更高的充放电效率、更好的适应性和更长的使用寿命,尤其当输出电流或者能量很小时,超级电容器将是一种很好的选择。2008年奥本大学的Ajitsaria对基于PZT双晶片压电悬臂梁进行了几种不同的模型理论分析,通过仿真和实验分析表明,耦合模型理论能较好的与仿真和实验吻合,并且首次指出随着温度的升高,压电双晶片的谐振频率和能量输出会逐渐降低,这点与仿真模型的结果完全吻合。从2003年到2009年,弗吉尼亚理工大学的Sodona等对基于PZT的压电能量收集器进行了一系列的研究,从压电材料、器件结构、模型理论和收集电路等方面都进行了较为全面的研究,另外,他还比较了PZT、Micro Fiber Composite(MFC)和QP(quick pack)这三种压电材料,结果表明当振动频率范围为0~500Hz时,QP比MFC效率高,而PZT是三种材料中转换效率最高的。最近,苏格兰大学的Zhu等针对很多人误将压电双晶片等效为电流源和电容并联的形式这一问题,首次将压电耦合电路模型和有限元模型结合起来,以期获得最大的能量,通过实验验证,取得与理论较一致的结果。韩国科学技术学院的Sang等就压电多层板产生较大电流问题作了初步的理论研究,这为后续实验奠定了理论基础。另外,美、英以及日本、韩国和以色列等国家的公司成功地把研究推向市场化,有多种基于PZT的能量收集器或模块问世,并且在生活和工业上得到了广泛的应用。

然而,压电陶瓷易碎的机械特性和小的驱动应变,使其加载负载应力的时候,最大应力不能超过许用应力(60~100 MPa),否则会导致陶瓷疲劳裂化,这是器件结构中最主要的机械破坏现象之一。同时在制作和加载负载的过程中,压电陶瓷也容易出现疲劳损伤导致机械故障和电压击穿,这是高性能器件必须避免的问题。另外,压电陶瓷体积呈块体状且较重,对于微型化、集成化、轻而薄的小器件来说也是不适用的;基于弱d31效应的均匀的电极也大大降低了压电材料的机电耦合特性。综上所述,所有这些缺点都限制了其在可佩戴器件中的应用。

为了克服上述缺点,Swallow等将压电陶瓷纤维植入在环氧树脂中形成压电复合层,利用此种材料进行能量收集可为智能衣服和可佩带器件有效供电。

3 压电纤维

这种材料是利用压电陶瓷纤维形压电相和交叉 指形电极相结合的技术,其不仅能够提高材料的柔 韧性,而且使得复合材料具有各向异性的驱动性能。 这种材料具有很好的柔韧性,轻便、成本低,易于 形成各种形状植入控制结构中,因而受到人们的青 睐。早在2000年,NASA研究中心就开发出了MFC 执行器。目前,如图1两种模式的MFC传感器在德国已经投入生产。Deraemaeker等在有限元计算的基础上,通过实验对d31和d33模式的MFC传感 器分别进行了研究,这为实际生产传感器和执行器 提供了理论指导。Song等 对采用MFC复合材料 的悬臂梁进行了理论模型的推导,研究了在正弦激 励下输出功率、电压和电流的特性,并且通过实验 得到证明,同时研究了两种模式下各几何参数对输 出特性的影响及负载阻抗匹配问题。然而,据Sodano等 研究表明,在相同的振动条件下,MFC转换效 率远远低于PZT。目前,MFC还未得到充分的认识,需要进一步对其进行研究。

   两种模式的MFC   

图1 两种模式的MFC

另一种常用的压电材料是压电聚合物PVDF及其共聚物P(VDF-TrFE)。相比PZT,PVDF有相当的柔韧性,能产生较大的应变,因此能把更多的机械能转换为电能。而且,这种材料易于形成弯曲结构,频带宽、价格便宜。早在1998年,MIT就利用PVDF制作了压电发电鞋,目前,商业上提供的PVDF一般为4~110mm的薄/厚膜,主要用于耳机、扩 音器、水听器等;也有的用作MEMS器件的供电材料,Granstrom等利用PVDF作为背包的肩部背带,当人行走时,肩部产生的力传给背带,背带就会把这种力转换为电能;Collins等利用人体活动能通过PVDF产生电能为个人电子器件如手机、电话机 等供电。共聚物P(VDF-TrFE)目前研究得较少,李伟平就其薄膜的制备方法和性能进行了初步的研究,但并未采用它制成换能器,之后Park等对PZT、PVDF和P(VDF-TrFE)的传感器进行了比较,结果表明P(VDF-TrFE)传感器的灵敏度比基于PVDF的高很多。

4 压电复合材料

这种材料主要由压电陶瓷和聚合体组成,根据相与相之间的连接方式命名,分别有如图2所示的连接方式。然而,这些复合结构大部分未被研究。其中由PZT压电棒嵌入在聚合物机体中形成的1-3型压电复合材料,因其低声阻抗、高机电耦合系数、低机械品质因数、静水压压电常数大等优点,被认为是传感器和水声换能器应用领域最有前景的结构之一。

      几种典型的压电陶瓷复合结构      

图2 几种典型的压电陶瓷复合结构

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