淺談壓電材料在滑雪板減振方面的應(yīng)用

崔淵博 胡劍偉 蔡展鵬

摘 要：在近幾年壓電新材料開發(fā)和制備取得重大進(jìn)以及壓電材料應(yīng)用成為熱門的研究領(lǐng)域的大背景下，本文提出了將壓電材料用于滑雪板減振方面的可行方案。該方案利用壓電材料的壓電效應(yīng)，通過能量轉(zhuǎn)換裝置將滑雪板工作過程中產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)部分轉(zhuǎn)化為電能，從而降低滑雪板的振幅，緩解滑雪者因滑雪板的劇烈振動(dòng)而產(chǎn)生的疲勞。此外，產(chǎn)生的電能點(diǎn)亮安全警示LED燈，最終達(dá)到給滑雪者更舒適、更安全的滑雪體驗(yàn)的目的。

關(guān)鍵詞：滑雪板；壓電材料；壓電效應(yīng)

2015年7月31日年北京成功獲得2022年冬奧會(huì)的舉辦權(quán)，這必將極大地促進(jìn)我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)的普及與發(fā)展?；┦瞧占岸群芨叩亩具\(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，因此滑雪板的市場(chǎng)需求量非常大。滑雪運(yùn)動(dòng)大多在戶外山坡上進(jìn)行，凹凸不平的山坡即使覆蓋一層厚厚的積雪也難免會(huì)引起滑雪板的振動(dòng)，人處于這種振動(dòng)下一段時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)生疲勞感，而這種疲勞感會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作緩慢吃力，甚至造成嚴(yán)重的安全事故?；谏鲜鍪聦?shí)，本文提出將這種振動(dòng)能量通過壓電換能裝置轉(zhuǎn)化成其他形式的能量這一可行方案，根據(jù)能量守恒原理，滑雪板的振動(dòng)幅度就會(huì)大大減低，從而達(dá)到緩解滑雪者振動(dòng)疲勞的目的。

1 壓電效應(yīng)以及壓電材料的選擇

1.1 壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）、壓電陶瓷等物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在某些表面上出現(xiàn)電荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向發(fā)生改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加外電場(chǎng)，這些電介質(zhì)的幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，去掉電場(chǎng)后，電介質(zhì)的變形也隨之消失，這種效應(yīng)稱之為逆壓電效應(yīng)。

1.2 壓電材料的選擇

常用的壓電材料大致可以分為三類：壓電單晶、有機(jī)壓電薄膜和壓電陶瓷。壓電單晶為單晶體，常用的有α—石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）等。石英是壓電單晶中最具有代表性的，其應(yīng)用非常廣泛。但是石英的壓電常數(shù)不高，不能滿足滑雪板換能器能量轉(zhuǎn)化量大、轉(zhuǎn)化迅速的特點(diǎn)，因此不宜選用。其他壓電單晶的壓電常數(shù)為石英的2.5-3.5倍，但價(jià)格比較貴，也不宜選用。水溶性壓電晶體，如酒石酸鉀鈉（NaKO4H4O5·4H2O）壓電常數(shù)較高，但容易受潮，機(jī)械強(qiáng)度低，性能不穩(wěn)定，也不符合相應(yīng)的性能要求。有機(jī)壓電薄膜易于大批量生產(chǎn)，且具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，但是其壓電特性不是很好，因此不適合選用。壓電陶瓷為多晶體，常用的有鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。在一定溫度下極化處理后的壓電陶瓷的壓電常數(shù)比單晶體高得多，一般比石英高數(shù)百倍，此外壓電陶瓷制作方便，成本低，因此適合作為壓電換能裝置的壓電材料。

2 壓電換能器電路圖設(shè)計(jì)

滑雪板的振動(dòng)是無規(guī)律振動(dòng)，因此壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，其提供的能量也是不穩(wěn)定的，而且在電能提取過程中存在阻尼效應(yīng)（當(dāng)滑雪板振動(dòng)的機(jī)械能傳遞給壓電陶瓷后，會(huì)在壓電陶瓷內(nèi)產(chǎn)生交流電壓，如果材料內(nèi)部電阻過大或者過小，根據(jù)壓電效應(yīng)的可逆性，產(chǎn)生的電能未傳給電容器而是再次轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，從而降低減振效果），因此應(yīng)先將產(chǎn)生的電荷儲(chǔ)存至電容器，經(jīng)過控制電路的調(diào)壓后，將電容器中存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)移至鋰電池（具有能量密度高、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、容量保持性好以及溫度適應(yīng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)）中，控制電路控制鋰電池供電給LED燈的時(shí)間（滑雪板閑置時(shí)LED燈熄滅）。電路原理圖如下圖（1）所示。

3 壓電換能器在滑雪板里布置位置的設(shè)計(jì)

滑雪板的振動(dòng)形式固定，因此要想壓電換能器發(fā)揮最大的作用，壓電陶瓷的布置就必須符合一定條件。壓電換能器在滑雪板里的布置如下圖（2）所示：

灰色部分為壓電陶瓷，白色部分為電容器、控制電路、整流電路、鋰電池的封裝體，紫色部分為L(zhǎng)ED燈。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的這種新型雪橇板屬于概念設(shè)計(jì)，要真正完美地做出產(chǎn)品來還需要做很多驗(yàn)證、優(yōu)化工作。首先就是壓電換能器各個(gè)部件的尺寸參數(shù)、物理參數(shù)的確定，這需要通過實(shí)驗(yàn)來確定最優(yōu)數(shù)值，如電容器的尺寸和電容、壓電陶瓷的厚度和長(zhǎng)度、LED燈的功率等。其次是確定壓電換能器在滑雪板上的最佳布置方案，如封裝體和LED燈的位置、壓電陶瓷的布置密度等，如果布置不合理，可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的共振問題，使新設(shè)計(jì)失去意義。

參考文獻(xiàn)

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