【摘要】：壓電能量收集器件發(fā)展迅速,發(fā)電性能不斷提高。然而,壓電能量收集器受壓電陶瓷材料本身低的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能限制,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較低。制備具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能壓電陶瓷材料具有重要的應(yīng)用價值。評述了以獲得高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能為目標(biāo)所進(jìn)行的壓電陶瓷材料性能調(diào)控方面的研究成果,介紹了非諧振狀態(tài)和諧振狀態(tài)下,能量收集器件對壓電陶瓷材料的性能要求,比較了能量收集用鉛基、無鉛壓電陶瓷材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能,討論了具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能壓電陶瓷材料設(shè)計(jì)方法,為進(jìn)一步開展能量收集用壓電陶瓷材料的研究提供思路�？偨Y(jié)了該領(lǐng)域存在的問題及對未來的展望。
【圖文】：

寫嬖諢蚯炕蛉醯惱穸?源，如工廠內(nèi)各種機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)引起機(jī)器、廠房的受迫振動，鬧市區(qū)由于汽車跑動引起的振動等。將環(huán)境中的振動能量回收，使其轉(zhuǎn)化為可再利用的電能，具有重要的應(yīng)用價值和社會意義。目前，振動能 電能的轉(zhuǎn)換方式主要有3種：靜電轉(zhuǎn)換[3]、磁電轉(zhuǎn)換[4 5]、壓電轉(zhuǎn)換[6 7]。圖1為3種振動能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對比圖[2]。從圖1可以看到，在這3種轉(zhuǎn)換方式中，壓電轉(zhuǎn)換具有較高的能量密度。此外，壓電轉(zhuǎn)換還具有結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、加工制作容易和結(jié)構(gòu)上易于小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)。圖13種振動能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在過去的10年時間，研究人員對壓電能量收集技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、微電子電路控制理論等諸方面[8 15]。常用的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)通常分為懸臂梁和多層疊堆2種模式。圖2為壓電雙晶片和壓電單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖[16]。在這種懸臂梁結(jié)構(gòu)中，懸臂梁一端固定，另一端隨環(huán)境中的機(jī)械振動做周期運(yùn)動。環(huán)境中的振動能首先轉(zhuǎn)換成圖2中質(zhì)量塊M的動能，然后質(zhì)量塊M的動能轉(zhuǎn)變成懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性勢能，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓，通過壓電層的電極輸出。圖3為壓電能量收集器的工作過程[16 17]，主要包含3部分：過程1為通過特殊的機(jī)械裝置將環(huán)境中無序的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成周期性振蕩的機(jī)械能，在這個過程中，部分能量由于機(jī)械阻抗失配、能量衰減等因素而損失掉；過程2為利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將周期性振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在這個過程中，由于壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等問題，部分能量損失掉；過程3為轉(zhuǎn)換得到的電能

４油?可以看到，在這3種轉(zhuǎn)換方式中，壓電轉(zhuǎn)換具有較高的能量密度。此外，壓電轉(zhuǎn)換還具有結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、加工制作容易和結(jié)構(gòu)上易于小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)。圖13種振動能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在過去的10年時間，研究人員對壓電能量收集技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、微電子電路控制理論等諸方面[8 15]。常用的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)通常分為懸臂梁和多層疊堆2種模式。圖2為壓電雙晶片和壓電單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖[16]。在這種懸臂梁結(jié)構(gòu)中，懸臂梁一端固定，另一端隨環(huán)境中的機(jī)械振動做周期運(yùn)動。環(huán)境中的振動能首先轉(zhuǎn)換成圖2中質(zhì)量塊M的動能，，然后質(zhì)量塊M的動能轉(zhuǎn)變成懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性勢能，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓，通過壓電層的電極輸出。圖3為壓電能量收集器的工作過程[16 17]，主要包含3部分：過程1為通過特殊的機(jī)械裝置將環(huán)境中無序的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成周期性振蕩的機(jī)械能，在這個過程中，部分能量由于機(jī)械阻抗失配、能量衰減等因素而損失掉；過程2為利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將周期性振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在這個過程中，由于壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等問題，部分能量損失掉；過程3為轉(zhuǎn)換得到的電能經(jīng)過整流、AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換為可以使用的電能，在這一過程中，由于電路損耗，導(dǎo)致部分能量損失掉。在上述壓電能量收集器的工作過程中，過程1和過程3可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)加以解決，而過程2必須通過材料改性與優(yōu)化加以解決。(a)Piezoelectricbimorphcantileverstructure(b)Piezoelectricunimorphcantileverstructure圖2壓電能量收集器基本結(jié)構(gòu)示

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