新型压电复合材料助力能量收集器在高温条件下表现出色
2021-02-25 21:20:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，压电材料在传感器、执行器和能量收集器方面拥有巨大的应用前景，但通常在高温条件下性能会变得很差，限制了其在发动机、太空探索等恶劣环境中的应用。然而，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）和QorTek公司的联合研究小组近期开发的一种新型压电器件在高温下仍然表现良好。

宾夕法尼亚州立大学材料研究所（MRI）的负责人Clive Randall与来自QorTek公司的研究人员合作开发了这种压电材料和器件，QorTek公司专门从事智能材料器件和高密度电力电子研发工作。

“美国宇航局（NASA）需要解决的问题是如何在电池难以更换的偏远地区为电子设备供电。”Clive Randall说，“他们还需要自供电传感器，以监测发动机的工作稳定性。由于这些器件需要在火箭发射和其他高温情况下工作，因此传统的压电器件通常会因为高温而失效。”

压电材料在振动或运动过程中由于机械力（例如来自发动机）的作用会压缩或拉伸，从而产生电荷。因此，它可以用作测量压力、温度、应变或加速度变化的传感器。压电材料也可以制作成能量收集器，为桥梁状态监测传感器、智能手环等个人电子设备提供电能。

上述研究小组将新材料制作成压电双晶片（bimorph），并应用于压电能量收集器。压电双晶片具有两个压电层，其形状和组装方式可以最大限度地提高能量收集效率。传感器或能量采集器在工作时会造成压电双晶片结构的弯曲，进而产生电信号以用于测量或充当电源。

不幸的是，上述功能在高温环境下工作效率较低。目前最先进的压电能量收集器的最大有效工作温度范围通常限制在176华氏度（80摄氏度）到248华氏度（120摄氏度）。

“压电材料的一个基本问题是，当温度超过120摄氏度时，其性能开始显著下降，到200摄氏度以上时，其性能几乎完全丧失。”QorTek公司首席技术官Gareth Knowles说道，“我们的研究为美国宇航局提供了一种可行的解决方案。”

研究小组开发的新型压电材料在高达250摄氏度的温度环境下表现出近乎恒定的有效性能。此外，研究人员在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）上介绍说，虽然在高于250摄氏度的温度下，这种材料的性能会逐渐下降，但在高于300摄氏度的温度下，作为能量收集器或传感器仍然有效。

Gareth Knowles继续说：“这种新型复合材料在高温环境下的性能与在室温下一样好，这还是第一次！因为从来没有人能够研发出在如此高温下有效工作的压电材料。”

将机械振动转换为电能的压电能量收集器示意图

这种材料的另一个好处是大幅提升了能量收集器的发电能力。Clive Randall称，虽然目前压电能量收集器还没有达到太阳能电池的发电水平，但这种新型材料的性能足以为其他应用打开可能性。

Clive Randall说：“这项技术的发电能力令人印象深刻，表现出创纪录的性能效率。这将有可能在黑暗或隐蔽的环境中（例如在汽车系统内，甚至人体内）实现连续、无电池供电。”

Clive Randall和Gareth Knowles都指出，宾夕法尼亚州立大学和QorTek公司之间的合作关系可以追溯到20多年前，通过互补彼此的资源，开发出新型/改进的压电材料。

Gareth Knowles表示：“总体上，这种合作关系的一大好处是，你可以利用宾夕法尼亚州立大学在该领域拥有的巨大知识库，而像我们这样的小公司有时则没有。另一个好处是，大学通常拥有一些物理资源，比如重要的工艺设备，而这些资源在一家小公司里通常是找不到的。”

Clive Randall指出，由于QorTek公司有许多员工都是宾夕法尼亚州立大学的校友，因此他们对研究主题和相关人员都很熟悉。

Clive Randall继续说：“我的一位博士后研究员、论文第一作者Wei-Ting Chen被QorTek公司聘用，因此在这种情况下可以转移专业知识。此外，QorTek公司提供的技能，例如机械工程、器件设计和测量专业知识，推动了研发速度（远远快于我们的预期）。因此，这种伙伴关系使该项目得到了真正卓有成效的扩展。”

美国宇航局的小企业技术转让项目和国家科学基金会资助了这项研究工作。