能量收集用无铅压电陶瓷的性能调控与发电特性研究

发布时间：2020-06-06 13:29

【摘要】：近年来,物联网和可穿戴电子技术蓬勃发展,这使得压电能量收集技术迅速成为新能源领域的研究热点。其中,关键的挑战在于设计具有高能量密度的环境友好型压电材料。在本研究中,针对能量收集器件对压电陶瓷材料的性能要求,选择高性能钛酸钡基无铅压电材料为研究对象,分别通过相界调控和掺杂改性两种手段来提高钛酸钡基压电陶瓷材料的能量收集性能,利用悬臂梁式能量收集器评估陶瓷的发电特性,并对陶瓷的微结构、压电性能和发电性能之间的关联性进行研究,从而获得高功率密度和能量转换效率的振动能量收集器。第一,为了构建高功率密度的能量收集器,设计了一个新颖的(1 x)Ba(Zr_(0.1985)Cu_(0.0015)Ti_(0.8))O_(3-δ) x(Ba_(0.7)Ca_(0.3))TiO_3[BCTZC]陶瓷组成,通过组成驱动相界演变优化它的能量收集性能。结果表明,当x=0.55时,BCTZC陶瓷处于三方-正交-四方(R-O-T)多晶相界,陶瓷具有大的压电活性,其能量收集性能:g_(33)=14.7×10~(-3) Vm/N,d_(33)×g_(33)=4257×10~(-15) m~2/N,η=0.95,DFOM=995。进一步,通过悬臂梁结构的能量收集器评估它们的发电性能。研究发现,设计的悬臂梁结构能量收集器的共振频率为90 Hz。在共振频率下,当振动加速度为10 m/s~2时,x=0.55的样品获得高达70μW的输出功率和8V的电压,进一步增加加速度到50 m/s~2时,输出功率和电压分别增加到700μW和25 V。优异的低频发电特性表明BCTZC材料在用于捕获环境振动能量的压电发电机中具有重要的潜在的应用前景。第二、为了进一步研究能量收集器的能量转化效率和工作稳定性,我们制备了Ba_(0.9)Ca_(0.1)Ti_(0.93)Zr_(0.07)O_3无铅压电陶瓷,并通过引入Mn离子来改善BCTZ(Ba_(0.9)Ca_(0.1)Ti_(0.93)Zr_(0.07)O_3+x mol.%MnO_2,简写为BCTZ+x Mn)陶瓷的大功率特性。结果表明,当x=0.1时,BCTZ陶瓷处于R-O-T多晶相界,并且呈现出均匀致密的显微结构,使得x=0.1样品获得了高的能量收集性能。通过悬臂梁结构对x=0.1样品进行了能量转化效率的研究。结果显示,在10 m/s~2的加速度下,x=0.1的能量收集器获得了高达1.2μW/mm~3的功率密度和7%的能量转换效率。进一步研究发现,BCTZ能量收集器经过10~6次振动循环后仍具有出色而稳定的发电性能,并且在不同加速度振动环境下具有强的适应性。该工作进一步推动了高效率无铅能量收集器的开发,为无铅压电能量收集器的应用奠定了坚实的基础。
【图文】：

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北京工业大学工程硕士专业学位论文械阻尼等因素而损失掉；2、有序的机械振动通过压电材料的压电效应转定频率的电能，在这个过程中由于压电材料的机电转换效率等问题，导致量损失；3、转换得到的电能经过整流和调制最终存储在超级电容或可充内，供微型传感器工作，在这个过程中也有部分能量以焦耳热的形式损失这 3 个能量转换的过程中，都或多或少的存在能量的损失，，过程 1 和过程通过机械结构设计和电路的优化加以解决，而过程 2 不仅涉及到器件结，而且还涉及到压电材料的机电转换性能问题。

压电,悬臂梁

2 不同结构的压电悬臂梁[4]：(a) 单晶片悬臂梁；(b) 双晶片悬臂梁；(c) 带有叉电极的压电悬臂梁；(d) 在自由端具有质量块的压电悬臂梁1-2 Various configurations of piezoelectric cantilevers[4]: (a) unimorph; (b) bimorphoelectric cantilever with interdigitated electrodes; (d) apiezoelectric cantilever withmass at its freeend压电能量收集器的研究现状电能量收集器研究在日本及欧美等国家开展比较早，而国内对压电研究起步较晚。近年来，人们通过设计多样化的机械结构来提高能电性能。996 年，英国科学家 Williams 等人提出使用压电陶瓷将环境中的机能的方案。他们设计的压电能量收集装置在 70 Hz 的振动频率下能量。科学家 Williams 的研究表明压电陶瓷材料可以作为机械能转介[5]。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM282

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