MFC柔性壓電材料俘能特性實(shí)驗(yàn)及其往復(fù)彎曲擺動(dòng)參數(shù)優(yōu)化*

鄒玉金，李仁旺，宋瑾鈺

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州310018；2.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

當(dāng)前，5G應(yīng)用技術(shù)不斷升級(jí)，針對(duì)5G的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與新設(shè)備開(kāi)發(fā)也獲得了快速發(fā)展，同時(shí)各類電子器件也不斷呈現(xiàn)體積小型化的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的新型電子產(chǎn)品逐漸獲得了應(yīng)用[1-4]。此外，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，更加高效的智能傳感器也引起了許多學(xué)者的關(guān)注，并獲得了快速推廣應(yīng)用。微機(jī)電系統(tǒng)屬于一類微驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，需要利用微納米加工方法制造傳感部件、信息處理與傳輸單元，各部分組裝得到微智能設(shè)備，屬于當(dāng)前的一項(xiàng)前沿研究技術(shù)[5-8]。

柔性壓電材料因具備高柔韌性、耐腐蝕、無(wú)污染、質(zhì)量輕、延展性好、高穩(wěn)定性以及易加工成型的優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于壓電能量采集系統(tǒng)中[9-11]。考慮到實(shí)際工況下存在多種類型的振動(dòng)能量，柔性壓電材料因具備優(yōu)異柔韌性，這使其非常適合進(jìn)行流動(dòng)能量高效采集的過(guò)程[12-14]。國(guó)外學(xué)者Viet開(kāi)發(fā)了一種可以滿足內(nèi)置安裝要求的頻率轉(zhuǎn)換部件，由此達(dá)到通過(guò)壓電效應(yīng)進(jìn)行海浪能量收集的功能，該裝置在實(shí)際工作階段中在海浪推動(dòng)作用下促使機(jī)械增頻裝置齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)末端裝有磁鐵部件的風(fēng)車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)利用懸臂梁完成能量回收的過(guò)程[15]。Bla?evi'c D等為汽車輪胎配備了壓電俘能控制系統(tǒng)，能夠?qū)囕喸谛旭傠A段形成的振動(dòng)能量進(jìn)行高效收集，之后將這些能量轉(zhuǎn)化成電能并對(duì)胎壓檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行供電[16]。本文建立了一種可以對(duì)柔性壓電材料進(jìn)行往復(fù)彎曲測(cè)試的平臺(tái)，利用該系統(tǒng)測(cè)試了柔性壓電材料的俘能狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

1.1 振子柔性壓電振子制作

本實(shí)驗(yàn)采用MFC柔性壓電材料以及銅基板，通過(guò)粘接的方式進(jìn)行制備。為去除銅基材表面的氧化物及其他雜質(zhì)污染物，利用金相砂紙打磨試樣形成了更粗糙的表面結(jié)構(gòu)，確?？梢愿鶰FC柔性壓電材料之間形成緊密粘合狀態(tài)；接著，將上述處理得到的銅制基板與MFC柔性壓電材料禁入丙酮試劑中超聲清洗15 min使油污被充分去除干凈。在MFC柔性壓電材料上粘結(jié)黃銅箔基板后，其中，粘結(jié)劑組成為按照2∶1質(zhì)量比稱量環(huán)氧樹(shù)脂與聚酰胺固化劑并將兩者進(jìn)行充分混合達(dá)到均勻狀態(tài)。在壓電材料表面涂上一層厚度均勻的粘結(jié)劑，接著將其平滑貼至銅箔基板，對(duì)粘結(jié)后的壓電振子輕輕按壓使其達(dá)到更緊密的結(jié)合狀態(tài)。需盡量控制基材表面形成均勻的粘接劑并減小其厚度，從而獲得與真實(shí)情況更接近的測(cè)試結(jié)果。

采用粘結(jié)劑完成粘結(jié)后，再將其置于恒溫箱內(nèi)，設(shè)定溫度為50℃，經(jīng)過(guò)4 h烘干處理。將電極由壓電部件的端口位置引出，同時(shí)把導(dǎo)線焊接到MFC壓電纖維片上，需注意當(dāng)焊錫用量太大時(shí)，將會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此在滿足焊接強(qiáng)度的條件下應(yīng)盡量減少焊錫量。本實(shí)驗(yàn)制得的柔性壓電振子結(jié)果見(jiàn)圖1。基板、耦合材料及壓電材料三者的聲阻抗值均為38.6 Pa·s/m，22.4 Pa·s/m及47.3 Pa·s/m，具有很好的匹配性。

圖1 懸臂梁柔性壓電振子

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

①實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

圖2顯示了根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立的測(cè)試系統(tǒng)。其中，實(shí)驗(yàn)臺(tái)以聚甲基丙烯酸板作為臺(tái)體，利用特定型號(hào)的螺栓來(lái)達(dá)到固定的目的，為支撐板設(shè)置了開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度控制功能。該測(cè)試平臺(tái)采用螺栓腳架構(gòu)建形成支撐座，該結(jié)構(gòu)的安裝過(guò)程較簡(jiǎn)單，并且整體成本也較低。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

②線路連接

利用單片機(jī)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)作用，但采用單片機(jī)并無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的直接調(diào)控過(guò)程，在兩者間設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)連接的功能。以共陽(yáng)極接線方式為單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器建立連接，接線期間不設(shè)置限流電阻，使PUL＋、DIR＋與ENA＋都連接到單片機(jī)共同的正極上，對(duì)應(yīng)的電壓為＋5 V；ENA-與PB14引腳相連接，PUL-與PA8引腳相連接，DIR-與PB13引腳相連接。

③實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體構(gòu)成

圖3顯示了對(duì)柔性壓電材料進(jìn)行往復(fù)彎曲擺動(dòng)測(cè)試的示意圖?？梢钥吹剑撓到y(tǒng)包含了單片機(jī)、Labview上位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、示波器等多個(gè)部分。

圖3 柔性壓電材料往復(fù)彎曲擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本次使用的柔性壓電材料屬于MFC；系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)提供運(yùn)行過(guò)程所需的動(dòng)力，通過(guò)Labview上位機(jī)界面為人員與系統(tǒng)之間構(gòu)建控制聯(lián)系渠道，在下位機(jī)開(kāi)發(fā)板中設(shè)置了控制程序，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制功能，利用電荷放大器來(lái)激發(fā)低電荷量信號(hào)，避免因?yàn)樾盘?hào)過(guò)弱而不能被檢測(cè)到的情況，示波器可以實(shí)現(xiàn)采集測(cè)試數(shù)據(jù)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示的功能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)參數(shù)分析

①壓電材料截面積優(yōu)化

以20 r/min速度對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行彎曲擺動(dòng)測(cè)試，控制步進(jìn)電機(jī)彎曲擺動(dòng)角介于0~60范圍內(nèi)，并為測(cè)試系統(tǒng)配備了阻值為100 kΩ的電阻，柔性壓電振子在不同步進(jìn)電機(jī)擺動(dòng)角下會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓。圖4給出了以不同橫截面柔性壓電材料得到的開(kāi)路電壓幅值數(shù)據(jù)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截面積改變后，柔性材料將會(huì)輸出不同的開(kāi)路電壓幅值，兩者間存在明顯的關(guān)聯(lián)性。處于恒定的彎曲擺角狀態(tài)下時(shí)，逐漸提高柔性壓電材料橫截面的過(guò)程中，懸臂梁柔性壓電振子將會(huì)輸出更大幅值的開(kāi)路電壓，這是由于隨著截面積的增大，柔性壓電材料受壓電效應(yīng)影響而出現(xiàn)極化現(xiàn)象，將會(huì)產(chǎn)生更加廣泛分布的極化電荷，而且隨著壓電材料尺寸增加后，將會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部?jī)?chǔ)存更多的正負(fù)電荷。

圖4 隨截面積變化的開(kāi)路電壓幅值曲線

②基板厚度優(yōu)化

利用厚度依次為1 mm~3 mm的三種銅箔制備得到基板材料，控制步進(jìn)電機(jī)彎曲擺速為20 r/min，并設(shè)置了100 kΩ外接電阻。控制步進(jìn)電機(jī)彎曲擺動(dòng)角由0逐漸增大至70°的過(guò)程中，測(cè)試壓電材料開(kāi)路電壓幅值及其輸出功率。圖5顯示了在不同厚度基板條件下形成的開(kāi)路電壓幅值，根據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是否存在基板還是改變基板厚度的情況下，壓電材料都保持相對(duì)穩(wěn)定的開(kāi)路電壓幅值，并且也跟壓電材料表面是否設(shè)置基板關(guān)系不大。這是因?yàn)榛宀粚儆趬弘姴牧?，其作用主要在于為壓電材料提供保護(hù)功能，并對(duì)系統(tǒng)固有頻率與運(yùn)行穩(wěn)定性都能夠發(fā)揮一定影響。

圖5 隨基板厚度變化的開(kāi)路電壓幅值曲線

2.2 外部因素優(yōu)化

①外接負(fù)載電阻優(yōu)化

以20 r/min速度對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行彎曲擺動(dòng)測(cè)試，將負(fù)載電阻通過(guò)外接導(dǎo)線與壓電振子相連接，設(shè)定其電阻介于10 kΩ~1000 kΩ之間，通過(guò)示波器顯示電阻電壓發(fā)生變化的幅度。圖6是在不同負(fù)載電阻條件下測(cè)試得到的開(kāi)路電壓幅值，根據(jù)圖6可知，在懸臂梁柔性壓電振子保持45彎曲擺動(dòng)角的情況下，將負(fù)載電阻由10 kΩ提高到1 000 kΩ時(shí)，形成了幅度更大的開(kāi)路電壓幅值，由最初0 mV增大到了2 085 mV，總體表現(xiàn)為隨著負(fù)載電阻的增大，形成了更大的開(kāi)路電壓幅值并最終接近穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定100 kΩ的固定負(fù)載電阻后，將彎曲擺動(dòng)角由15提高至60期間，獲得了更大的開(kāi)路電壓幅值，由1 556 mV提高至2 356 mV，可以根據(jù)以上結(jié)果判斷開(kāi)路電壓幅值與彎曲擺動(dòng)角的關(guān)系。

圖6 隨負(fù)載電阻變化的開(kāi)路電壓幅值曲線

②彎曲擺速優(yōu)化

如圖7所示，是將柔性壓電材料置于不同步進(jìn)電機(jī)彎曲擺速條件下測(cè)試形成的開(kāi)路電壓幅值。其中，彎曲擺速為20 r/min，負(fù)載電阻阻為100 kΩ，依次測(cè)試了電機(jī)彎曲擺動(dòng)角處于60°、20°與5°條件下時(shí)的開(kāi)路電壓幅值與輸出功率。根據(jù)圖7可知，調(diào)整彎曲擺速后，并沒(méi)有引起開(kāi)路電壓幅值的明顯改變，總體保持相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)。在保持恒定彎曲擺動(dòng)角下，調(diào)節(jié)不同的壓電振子彎曲擺速時(shí)，測(cè)試得到的開(kāi)路電壓幅值也只是發(fā)生了小幅波動(dòng)，表現(xiàn)為當(dāng)彎曲擺速提高后，依然保持穩(wěn)定的開(kāi)路電壓幅值。

圖7 彎曲擺速與輸出電壓幅值的關(guān)系

③彎曲擺角優(yōu)化

圖8顯示了彎曲擺動(dòng)角引起的開(kāi)路電壓幅值變化結(jié)果。根據(jù)圖8可知，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)擺速為20 r/min時(shí)，逐漸增大懸臂梁柔性壓電振子彎曲角的過(guò)程中，形成了更大的開(kāi)路電壓幅值，當(dāng)開(kāi)路電壓幅值升高至某一最大值時(shí)，進(jìn)一步提高彎曲擺動(dòng)角后，開(kāi)路電壓幅值保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于對(duì)于固定尺寸柔性壓電材料來(lái)說(shuō)存在一個(gè)最大的極化值，因此并不能無(wú)限增大。設(shè)定彎曲擺動(dòng)角為15，彎曲擺速為20 r/min，壓電材料橫截面為800 mm2的條件下，外接負(fù)載電阻100 kΩ，可以輸出2 760 mV的開(kāi)路電壓幅值。

圖8 壓電片彎曲角度與開(kāi)路電壓幅值的關(guān)系

3 結(jié)論

①處于恒定的彎曲擺角狀態(tài)下時(shí)，逐漸提高柔性壓電材料橫截面的過(guò)程中，懸臂梁柔性壓電振子將會(huì)輸出更大幅值的開(kāi)路電壓。基板厚度與開(kāi)路電壓幅值關(guān)系不大。

②在懸臂梁柔性壓電振子保持45彎曲擺動(dòng)角下，將負(fù)載電阻由10 kΩ提高到1 000 kΩ時(shí)，形成了幅度更大的開(kāi)路電壓幅值，總體表現(xiàn)為隨著負(fù)載電阻的增大，形成了更大的開(kāi)路電壓幅值并最終接近穩(wěn)定狀態(tài)。調(diào)整彎曲擺速后，并沒(méi)有引起開(kāi)路電壓幅值的明顯改變，總體保持相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)。

③經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定較優(yōu)的參數(shù):設(shè)定彎曲擺動(dòng)角為15，彎曲擺速為20 r/min，壓電材料橫截面為800 mm2的條件下，外接負(fù)載電阻100 kΩ，可以輸出2 760 mV的開(kāi)路電壓幅值。