基于壓電陶瓷材料的能量收集系統(tǒng)

李明春，陳賀，閆海路，凌玲，朱瑩瑩，王嘉龍，安利鴿

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

0 引言

當(dāng)前，科技發(fā)展水平正快速進(jìn)步，隨著未來人們對(duì)能源的大量需求，新能源也快速的向清潔化、循環(huán)化、高效化等方面發(fā)展。電是我們現(xiàn)在日常生活中必不可少的部分，常見的發(fā)電形式有火力發(fā)電、水力發(fā)電、核電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，這些常見的發(fā)電形式中只有風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電都是新興發(fā)電形式，雖然容量較小，但它是清潔能源。由發(fā)電形式的不斷變化可以看出清潔能源的重要。在生活中許多不起眼的能量就可以收集起來轉(zhuǎn)化成電能給一些需電量少的物品供電，如何收集能量，怎樣轉(zhuǎn)化成電能就是需要解決的核心問題。

1 壓電陶瓷簡介及物理機(jī)制

壓電陶瓷材料是一種同時(shí)能夠?qū)⒔橘|(zhì)機(jī)械力和能量的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為其他電能的陶瓷材料,壓電陶瓷除了能具有好的壓電性,同時(shí)還可以具有介質(zhì)的電性、彈性等諸多特點(diǎn)。壓電陶瓷材料在這種外力作用下,引起內(nèi)部正負(fù)兩端電荷軸向中心相對(duì)方向位移而間接發(fā)生電荷極化,從而直接導(dǎo)致陶瓷材料內(nèi)部兩端電荷表面之間出現(xiàn)正負(fù)相反的束縛電荷及其形成也稱壓電陶瓷效應(yīng)[1-2]。

在這種無來源電極化的這種工作條件下的情況中在下壓電片的電極片和陶瓷片的束縛電極兩端就有可能會(huì)同時(shí)連接出現(xiàn)束縛電荷,所以在這個(gè)束縛電極片的表面上就可能會(huì)同時(shí)吸附了一層大量的來自這個(gè)電極片和外界的自由電荷。當(dāng)利用電機(jī)振動(dòng)給一個(gè)小型陶瓷片的施加一個(gè)大的軸向外界壓力時(shí),陶瓷片的兩端經(jīng)過放電后就會(huì)同時(shí)振動(dòng)出現(xiàn)一種具有放電性的振動(dòng)現(xiàn)象。這種將低壓電機(jī)械化學(xué)離子輻射效應(yīng)轉(zhuǎn)變成為超高壓無機(jī)電離子輻射效應(yīng)的機(jī)械化學(xué)離子現(xiàn)象則也可能屬于正常的超高壓電機(jī)械化學(xué)離子效應(yīng)[3]。此外,壓力發(fā)電機(jī)和陶瓷也分別兼?zhèn)渚哂羞@種自發(fā)性和電磁極化的重要物理特點(diǎn),而這種自發(fā)性的電磁極化也可以使其結(jié)構(gòu)可以在各種不同外力的相互作用下迅速性地發(fā)生物理化學(xué)性的轉(zhuǎn)變。因此,在這種特殊外力作用下,壓電后的白色陶瓷磚就可能會(huì)容易受熱發(fā)生嚴(yán)重的熱變形。然而,壓電極化不是陶瓷材料殼體振動(dòng)變形的主要形成原因,是因?yàn)榇藭r(shí)當(dāng)殼體內(nèi)部加上與自發(fā)式高壓交流電極化相同的其他各種外力作用時(shí),在一定的很或較大程度上已經(jīng)大大增強(qiáng)了自發(fā)壓電極化時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度。在一定的程度上增強(qiáng)了極化強(qiáng)度。極化元件強(qiáng)度的不斷增加可以使的超高壓力導(dǎo)電活性陶瓷片沿著高極化強(qiáng)度方向不斷延長。相反,如果導(dǎo)體加大了反向面的電場(chǎng),則導(dǎo)體陶瓷片沿著電極化面的方向可以縮短[4]。

2 壓電陶瓷制備流程介紹

工藝流程如下：配料--混合磨細(xì)--預(yù)燒--二次磨細(xì)--造粒--成型--排塑--燒結(jié)成瓷--外形加工--被電極--高壓極化--老化測(cè)試。

（1）配料：配料階段要注意去除物料中的雜質(zhì)以及水分，按照事先計(jì)算好的配方用精準(zhǔn)稱量儀器進(jìn)行稱取，量比較小的物質(zhì)要放在量比較大的物質(zhì)中間，以保證充分混合。（2）混合磨細(xì)：將稱取好的物質(zhì)充分混合均勻，磨細(xì)，為下一步的預(yù)燒做好準(zhǔn)備，小批量采取干磨，大批量可以使用鋯球進(jìn)行研磨。（3）預(yù)燒：在高溫的條件下，原料進(jìn)行固相反應(yīng)初步合成壓電陶瓷，溫度條件，研磨條件等對(duì)初步的固相反應(yīng)影響較大。（4）二次細(xì)磨：將初步的壓電陶瓷再次研磨，使原材料混合更加充分，保證最終材料的均勻性。（5）造粒：加入粘合劑使粉料形成高密度流動(dòng)性好的顆粒物質(zhì)，注意粘合劑的量。（6）成型：將形成的顆粒物質(zhì)按照預(yù)先要求好的尺寸進(jìn)行壓結(jié)，初步成型。（7）排塑：將制粒時(shí)加入的粘合劑從初步成型的毛胚中除掉。（8）燒結(jié)成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結(jié)成瓷，注意溫度的控制。（9）外形加工：將制好的半成品進(jìn)行細(xì)加工從而達(dá)到滿足要求的規(guī)格。（10）被電極：在做好的陶瓷表面復(fù)銅鍍錫使其形成正負(fù)電極。（11）性能測(cè)試：當(dāng)陶瓷片性能達(dá)到穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)。

3 材料選取

壓電陶瓷是常見的能量收集材料，為了能使得地板式壓電陶瓷發(fā)電裝置能夠更好的產(chǎn)生電能，在選材時(shí)，使得較大的應(yīng)力形變，并且有較高的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)[3]，且介電常數(shù)較小，以便于高效的進(jìn)行能量收集。因此選用了PZT-5材料作為能量收集的陶瓷，PZT-5具有發(fā)電的各個(gè)不同優(yōu)點(diǎn)，其PTZ-5性能參數(shù)如表1所示。

表1 PTZ-5性能參數(shù)

4 地板式壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地板式壓電陶瓷發(fā)電裝置主要有以下結(jié)構(gòu)：下壓板、上壓板，壓墊、圓形壓電陶瓷片等部分組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 地板式壓電陶瓷發(fā)電裝置

如圖1中所示，1是壓墊、2是上壓板、3是下壓板、4是圓形壓電陶瓷片。其工作的原理是：當(dāng)其使2上壓板壓在1壓墊上，并壓在3下壓板上。利用外力即當(dāng)行人踏在2上壓板時(shí)，給2上壓板一個(gè)壓力，通過2上壓板和3下壓板的擠壓，使得4上的圓形壓電陶瓷片達(dá)到形變的效果，從而產(chǎn)生微弱能量[4]，而這個(gè)微弱的能量恰好可以通過能量收集裝置進(jìn)行存儲(chǔ)，從而達(dá)到能量儲(chǔ)存的預(yù)期效果。

地板式壓電陶瓷發(fā)電裝置的特色：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡易、制作簡單、價(jià)格便宜，且充分利用了振動(dòng)能這種新能源。但對(duì)于使用圓形壓電陶瓷材料的過程中，在其形變時(shí)產(chǎn)生的電壓最高可達(dá)到3V左右 ，而電流只有0.01mA左右。為解決電流較小的問題，綜合考慮使用多個(gè)圓形陶瓷片進(jìn)行并聯(lián)從而到達(dá)增大電流。

5 電路的能量收集流程及效果

在能量收集制備中為了提高地板式壓電陶瓷材料對(duì)能量收集的效率，不僅要對(duì)其壓電陶瓷的性能、結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化進(jìn)一步的了解，還需要對(duì)其能量收集的電路系統(tǒng)進(jìn)行分析研究和實(shí)現(xiàn)，以便于達(dá)到更加優(yōu)化的目的效果[5]。由于壓電陶瓷在外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)上下，所以其產(chǎn)生的電壓也是存在正反的，所以產(chǎn)生的電壓就是正負(fù)的電壓，即為交流電壓。為了方便儲(chǔ)存需要利用合適的電路使其交流電整流成穩(wěn)壓直流。其壓電陶瓷能量收集電路流程圖如圖2所示。

圖2 能量收集電流流程圖

在形狀上選用圓形作為地板式壓電裝置的原因有：圓形是中心對(duì)稱且在相同周長時(shí)其面積最大，受力均勻，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，其磨損最小，阻力最小且不易破碎。對(duì)陶瓷材料需要進(jìn)行鍍錫復(fù)銅，鍍錫是為了壓電陶瓷在極化時(shí)形成一個(gè)正電極，同時(shí)也可作為保護(hù)膜進(jìn)而減少壓電陶瓷的氧化。對(duì)于壓電陶瓷材料復(fù)銅是為了使極化的壓電陶瓷材料形成負(fù)電極，同時(shí)也為了防止陶瓷片在形變時(shí)破碎。復(fù)銅而不復(fù)其他金屬是因?yàn)殂~具有許多良好的性能，例如：導(dǎo)電性好、耐腐蝕好、更容易加工、柔韌性強(qiáng)、價(jià)錢相對(duì)較低，所以選著銅。

對(duì)于圓形陶瓷材料在沒有任何修改的情況下，在下壓板上給予壓力時(shí)不易形變，其未修改的圓形陶瓷片，在基于一個(gè)瞬間的外力的作用下的情況下，其產(chǎn)生形變而產(chǎn)生的電壓的最高值約0.24V。如表2所示。

表2 未修改的圓形陶瓷片產(chǎn)生的電壓

由表2可知，未修改的壓電陶瓷片在受一個(gè)力的作用時(shí)，電壓隨時(shí)間先從0V增加到最大值0.24V后再減少到0V，由表2可知在1.5s時(shí)形變最大，其電壓最高0.24V。

對(duì)于圓形陶瓷材料在其修改的情況下，在下壓板上給予壓力時(shí)不易形變，其修改的圓形陶瓷片，在基于一個(gè)瞬間的外力的作用下的情況下，其產(chǎn)生形變而產(chǎn)生的電壓的最高值約0.58V。其修改后的電壓產(chǎn)生情況如表3所示。

表3 修改后的圓形陶瓷產(chǎn)生的電壓

當(dāng)修改的壓電陶瓷片在受一個(gè)力的作用時(shí)，電壓隨時(shí)間先從0V增加到最大值0.58V后再減少到0V，由表3可知在1.5S時(shí)形變最大，其電壓最高0.58V。

由表2和表3數(shù)據(jù)對(duì)比可知當(dāng)使圓形壓電陶瓷片的形狀進(jìn)行改變時(shí)，比修改前更加容易形變。其受到與未修改的圓形壓電陶瓷同樣的壓力時(shí)其形變不同產(chǎn)生的電壓不同。修改后的壓電陶瓷比修改前的壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓更高，即在同樣大小的力的作用下其修改后的電壓約為0.58V比修改前的電壓0.24V高，所以修改其一定形狀有益于形變，同時(shí)也有利于能量的存儲(chǔ)。

6 結(jié)語

地板式壓電陶瓷能量收集裝置是通過收集壓電陶瓷振動(dòng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能的吸收，不僅可以應(yīng)用地鐵口等人流量大地方，也可以為指示燈提供能量來源，不僅如此，也可以做成“壓電鞋墊”，也可以廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、交通等領(lǐng)域。