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随着化石能源的日益减少,以及电子技术迅速发展导致器件对电源模块小型化、集成化的要求,通过能量收集实现自助供电变得尤为重要。其中压电式能量收集因诸多优点而受到越来越多的关注。
以(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)TiO3-xPbTiO3(PMN-xPT或PMN-PT)单晶为代表的弛豫铁电单晶在准同型相界(MPB)附近具有优异的压电性能,极有希望在能量收集器中得到很好的应用。本论文以多种切型的0.71PMN-0.29PT单晶为基础,展开了不同结构能量收集器的设计、制作和表征工作,初步研制出了高功率密度的能量收集器。本论文的主要研究内容和结果如下:
通过对铙钹结构振动模式的有限元模拟,得到了其各种振动模式及对应的谐振频率，以横向长度伸缩振动模式单晶片为基础,设计制作了铙钹结构能量收集器。在质量负载为17.0g(推动力0.55N)、频率为500Hz时,器件开路电压可以达到70V,在外接74kΩ电阻时可以获得高达14mW的功率和45.6V的电压,对应的功率密度达到了188mW/cm3。与基于PZT陶瓷的器件相比,单晶器件的功率密度分别提高了大约219％(单层PZT、7.8N推动力下为59mW/cm3)和25%(10层PZT、70N推动力下为15lmW/cm3)。
选取剪切模式单晶片分别设计制作了加速度计和悬臂梁结构能量收集器。1)对于加速度计结构的器件,实验与理论符合得非常好。在200g质量负载和外接91kΩ电阻的条件下,器件可在500Hz时产生峰值为11.3V的电压和最大0.7mW的功率;2)对于悬臂梁结构的器件,在0.5g质量负载时器件谐振频率可低至60Hz,器件在外接1MΩ电阻时可产生91.2v的峰值电压和4.16mW的功率。
为了降低器件的输出阻抗,以叠层并联的晶片结构设计制作了能量收集器。1)基于纵向长度伸缩模式的器件,在质量负载为270g(推动力4N)、频率为1.4kHz时,在外接1.0kΩ电阻条件下器件可以获得4.94mW的功率和3.14v的电压。低的输出阻抗使得器件容易与低的外接负载实现阻抗匹配;2)基于横向长度伸缩模式的悬臂梁器件,在质量负载为0.5g(推动力0.07N)、频率为60Hz时,在外接25kΩ电阻条件下器件可以获得4.5mW的功率和15v的电压。低的输出阻抗和谐振频率使得器件容易与低的外接负载和低频的环境振动相匹配。
为了降低器件的声阻抗,利用环氧树脂与单晶材料的复合对晶体进行改性,并以复合材料为基础,设计制作了悬臂梁结构的能量收集器。1)提出了由压电棒和环氧树脂复合得到的压电复合材料性能的物理模型并进行了简化,与横向长度伸缩振动模式相关的参数(SE11、d31、εT33、k31、Z1等)使用简化前后的模型计算出的结果几乎相同,而其他参数则存在不小的差异;2)分别用模型推导和实验测试两种方法得到复合材料的性能。比较可知,模型推导结果与实验测试结果吻合得非常好。从模型中可以得知,压电相体积分数降低时,声阻抗降低(这是我们需要的),机电耦合系数也降低(这是我们不希望的),实际中应选择合适的体积分数以满足实际应用的要求。该模型为能量收集器等压电器件的设计和基础理论研究提供了便利;3)在0.04N推动力、0.5g质量负载下,随着压电相体积分数vc从88%减小到40%,以压电复合材料为基础的恳臂粱器件谐振强度增加,而机电耦合性能降低,导致器件在vc=64%时获得最大输出4.64mW,对应峰值电压74.6V,谐振频率为63Hz。高的输出和低的声阻抗使该结构极有希望在能量收集中得到很好的应用。
开展了用于能量收集展示的发电地板研究的初步工作。对锰钢铙钹结构进行了设计制作;测试出了其最大弹性形变为0.6mm,略低于理论值0.875mm;对发电地板模块的结构进行了设计,利用安全垫片将铙钹位移量限制在了最大弹性形变的67.5%-82.5%之间,初步制作出了安全耐用、输出较高的发电地板模块。测试表明,60kg的人站在模块上微跳动可产生0.53mA的电流,输出功率29mW,对应的电压为54.1V。该激励条件下模块可直接带动至少30个LED灯发光。