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北大工学院董蜀湘课题组在驰豫压电体振动能量

发布时间:2019-11-26 12:44编辑:材料信息浏览(68)

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    基于压电或摩擦发电效应的振动能量回收是目前纳米发电领域的一个研究热点。虽然基于压电或摩擦机理产生的电压很高,但电流输出一般很低,通常仅在微安(μA)甚至纳安(nA)量级。最近,北大工学院材料科学与工程系董蜀湘课题组发现一种廉价的锆钛酸铅(PZT)基驰豫压电陶瓷拥有最高的压电应力电荷常数(e33),同时拥有较高的有效压电系数(d33**)和较低的机械谐振阻抗。课题组利用该压电体进行振动能量回收应用,发现在谐振动引起的振动惯性力(澳门新葡新京官方网站,~0.29N)的作用下,该压电体产生的最大输出电流为2.5毫安,最大输出功率为14毫瓦。该成果在线发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials*, IF=12.12),题目为“Giant Piezoelectric Coefficients in Relaxor Piezoelectric Ceramic PNN‐PZT for Vibration Energy Harvesting”。

    日前,北京大学研发了具有自主知识产权的3D打印设备,并利用该设备成功制备了多层PVDF-TrFE薄膜,研制了具有弯张效应的橄榄球新颖结构压电能量收集器,其表观压电系数及功率密度获得了显著提升。相关成果在线发表在《能源与环境科学》上。

    众所周知,传统PZT基压电陶瓷因为其多晶结构其压电性能不及压电单晶。董蜀湘课题组通过固相法制备了一种铌镍酸铅-锆钛酸铅(PNN-PZT)弛豫陶瓷,通过对材料的各种系数表征,发现其压电应力电荷常数(e33)高达39 C/m2,在已知的铁电陶瓷、铁电单晶以及已知的其它压电材料中属于最高值:即在施加相同应变或应力条件下PNN-PZT弛豫陶瓷感应的电荷最多。实验表明,利用相同尺寸的弛豫陶瓷制备的钹式能量回收器,同昂贵的铌镁酸铅-锆钛酸铅(PMN-PT)压电单晶体能量回收器相比,在施加3.5g加速度(~0.29 N)和谐振动条件下,弛豫陶瓷产生的振动能量回收功率最大值(14.0 mW)和PMN-PT单晶相当,但最大输出电流是PMN-PT单晶的4倍。这个实验证实了廉价的PNN-PZT弛豫陶瓷在微能量回收领域,诸如自供能、自感应网络,具有巨大潜在应用价值。此外,实验还发现该弛豫压电陶瓷的有效压电系数(*d33**)也高达1753 pm/V,与昂贵的商业压电单晶材料PMN-PT相当,表明该材料在精密驱动领域也有重要应用前景。

    从机械应变、运动、光、热、磁场等自然资源中获取能量已经成为穿戴式、自供电电子、物联网无线传感器网络等领域的研究热点。能量收集机械应变和运动,传统方法有压电、静电和电磁等。然而,作为一个典型的自供电、自感知的可穿戴设备,压电能量收集器表现出结构简单、小型化和更高的能量密度等优点。相比传统的无机陶瓷和单晶材料,PVDF及其共聚物因其柔性、灵活的设计、小的声阻抗,以及宽响应频率和高化学稳定性,因此更适合应用于可穿戴电子、步行发电等应用。但与无机压电陶瓷或压电单晶相比,因其压电系数、介电常数很小,因此产生的功率密度一直偏低。

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    最近,北京大学工学院董蜀湘教授课题组在北京市科技专项资助下,研发了具有自主知识产权的3D打印设备,获得授权中国发明专利。他们利用自主研发的3D打印设备,成功制备了多层PVDF-TrFE薄膜,研制了具有弯张效应的橄榄球新颖结构压电能量收集器,其表观压电系数及功率密度获得了显著提升。

    能量回收器样品与性能测试图:(a)测试装置搭建与样品;(b)能量回收器结构示意图与尺寸;(c)振动条件下位移有限元模拟结果;在3.5 g加速度、不同负载阻抗条件下,能量回收输出功率(d)和电流(e)。

    实验结果表明,3D打印的橄榄球能量收集器在频率为3.5HZ、压强为0.046MPa的机械压力下,可以产生88.6Vp-p的峰值电压和0.35mA的短路电流。其单位面积峰值输出功率密度更是高达16.4mW/cm 2,这比其它柔性压电发电材料的功率密度高出一个量级,同时和太阳能电池的功率密度相当。董蜀湘课题组提出的3D打印多层柔性压电薄膜制备方法和橄榄球弯张机制能量采集设计,在未来的具有自传感、自供电功能的柔性可穿戴电子设备、无线传感器网络、自发电智能道路等方面,具有巨大发展潜力。

    董蜀湘课题组长期以来一直致力于压电材料、磁电材料、器件设计和应用方面的研究,在压电微马达、驱动器、传感器、微能量回收等方面的研究在国际上获得了广泛认可,在国际重要刊物诸如Advanced MaterialsAdvanced Functional MaterialsApplied Physics Letters上发表SCI文章150篇;SCI引用次数6400余次;拥有30余项授权中国、美国发明专利;2014-2017连续4年被Elsevier评选为中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)——入选者被认为是来自中国社会科学、物理、化学、数学、经济等38学科最具世界影响力的中国学者之一。

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