壓電阻尼在能源回收方面的運用

吳亞倫 張鳳玲 王志 田晶

（1 沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)學(xué)院 遼寧沈陽 110136）（2 沈陽航空航天大學(xué)遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點實驗室 遼寧沈陽 110136）

隨著社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的意識日益增強(qiáng)，因此，節(jié)能綠色技術(shù)和環(huán)保新型材料的應(yīng)用也變得越來越重要和廣泛。得益于大量新型壓電材料的出現(xiàn)，壓電技術(shù)［1］快速發(fā)展。這種技術(shù)的應(yīng)用在節(jié)能環(huán)保方面具有很大的潛力，尤其是壓電發(fā)電技術(shù)［2］的研究和應(yīng)用，可以有效地利用機(jī)械振動、聲波、光波等資源，將其轉(zhuǎn)化為可用的電能，從而實現(xiàn)綠色、清潔能源的轉(zhuǎn)換與回收。其中，壓電阻尼［3］發(fā)電技術(shù)在對原本結(jié)構(gòu)振動減弱的同時，有效回收振動中耗散的能量而達(dá)到節(jié)能的目的，其應(yīng)用前景非?？捎^。本文首先對壓電材料進(jìn)行介紹，然后對壓電阻尼能量回收技術(shù)進(jìn)行分析，最后以懸臂梁模型為例，對其能源回收效果進(jìn)行驗證。

1 壓電材料

壓電材料［4］是指在機(jī)械應(yīng)力或電場的作用下能夠發(fā)生形變和電荷分布的材料。居里兄弟于18 世紀(jì)研究石英晶體時發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，在研究石英晶體時，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)對晶體施加力或震動時，會在晶體表面出現(xiàn)電荷，使得晶體兩端帶有電荷。幾年后，居里兄弟還發(fā)現(xiàn)了石英晶體的熱釋電效應(yīng)。居里兄弟的這些發(fā)現(xiàn)為壓電材料的制備、應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。后來，研究人員發(fā)現(xiàn)了更多的壓電材料，包括鐵電材料和高分子材料等，為壓電技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能性。

壓電效應(yīng)的實現(xiàn)機(jī)制是材料內(nèi)部的電偶極矩或晶格的變形。在壓電材料的晶體中，原子和離子的排列方式不是完全對稱的，在外界施加力或電場時，這種不完全對稱會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電偶極矩或晶格發(fā)生畸變。這種畸變可以是材料的整體形變，也可以是局部的電荷分布變化。當(dāng)壓電材料受到外界壓力會發(fā)生形變，導(dǎo)致內(nèi)部電荷分布不對稱，從而產(chǎn)生電勢差，使得電荷在材料內(nèi)部移動，最終在兩端表面積累。而晶體表面電荷面密度與極化強(qiáng)度在表面法向上的投影相等，所以會出現(xiàn)異號電荷。

壓電材料的極化是壓電效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，是電荷分布不對稱導(dǎo)致的電勢差和電場強(qiáng)度的產(chǎn)生。壓電材料的極化可以分為自發(fā)極化和外電場極化2 種，它們之間互相影響并共同作用于壓電效應(yīng)。

自發(fā)極化會在不外加電場的情況下發(fā)生，是由于壓電材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致的。在壓電材料中，正離子和負(fù)離子在特定晶體結(jié)構(gòu)下會排列成固定的幾何形狀，其中某些方向的電性質(zhì)往往與其他方向不同，從而產(chǎn)生電性質(zhì)的非對稱性。這種非對稱性就是壓電材料自發(fā)極化的來源，它和材料本身的內(nèi)部構(gòu)造緊密關(guān)聯(lián)。

另一方面，外電場極化則是在外部電場的作用下發(fā)生的。在受到外界電場的作用下，壓電材料的矩陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化，從而使得壓電材料的極化強(qiáng)度發(fā)生改變。為了使壓電材料獲得最大的極化，通常需要對外電場進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。外電場極化的過程需要一定的能量才能完成，在外電場消失時，壓電材料的極化強(qiáng)度也會相應(yīng)降低。

總的來說，壓電效應(yīng)是由自發(fā)極化和外電場極化共同作用形成的。這2 種極化方式的相互作用和影響，對于壓電材料的性能和應(yīng)用都有著重要意義。因此，在壓電材料設(shè)計和制備過程中，需要考慮這2 種極化的影響，并進(jìn)行合理的優(yōu)化和調(diào)節(jié)。

1.1 無機(jī)壓電材料

無機(jī)壓電材料大體上可以分為壓電晶體和壓電陶瓷2 種。

1.1.1 壓電晶體

壓電晶體是1 種具有壓電效應(yīng)的晶體材料，其壓電性能與晶體的對稱性和結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)外部電場或機(jī)械應(yīng)力作用于晶體時，晶體會產(chǎn)生形變或電位差，這種電位差與晶體的對稱性和結(jié)構(gòu)有關(guān)。常見的壓電晶體包括石英、LiNbO3、PZT 和BTO 等。這些晶體材料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和穩(wěn)定性，因此被廣泛應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動器、聲發(fā)生器等領(lǐng)域。除此之外，還有一些特殊的壓電晶體材料，如縱電效應(yīng)晶體、橫電效應(yīng)晶體等，具有特殊的壓電性能和應(yīng)用場景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，壓電晶體材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會更加廣闊。

1.1.2 壓電陶瓷

當(dāng)施加外加壓力或電場時，壓電陶瓷可以發(fā)生形變并且會在其兩端產(chǎn)生電荷。這種性質(zhì)使得壓電陶瓷在許多電子器件和傳感器中都得到廣泛的應(yīng)用。壓電材料包括鐵電性晶體、壓電陶瓷和某些高分子材料等。其中，壓電陶瓷是最常見的壓電材料之一。

壓電陶瓷的應(yīng)用十分廣泛，可以用于制造壓電傳感器、壓電陶瓷換能器、壓電計數(shù)器、壓電陶瓷濾波器、壓電陶瓷諧振器等電子元件，以及醫(yī)療行業(yè)的超聲波探頭、制藥設(shè)備、儲能設(shè)備等，還可以用于聲吶系統(tǒng)、壓電驅(qū)動器、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等。常見的壓電陶瓷有以下3 種。

（1）PZT 陶瓷。PZT 是指鉛鋯鈦氧化物，是一種典型的壓電陶瓷材料。它具有較高的壓電系數(shù)、介電常數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)用范圍廣泛。

（2）PNZT 陶瓷。PNZT 是指鉛鎂鋯鈦氧化物，它與PZT 類似但具有更好的耐熱和耐疲勞性能。PNZT 陶瓷適用于高溫環(huán)境和高頻應(yīng)用。

（3）PSN 陶瓷。PSN 是指鉛鍶鈦酸鋇，具有高壓電系數(shù)和較高的機(jī)械質(zhì)量因數(shù)。它在傳感器、麥克風(fēng)、聲發(fā)生器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 壓電阻尼

壓電阻尼是指利用壓電材料的2 種物理效應(yīng)—壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)來控制振動的阻尼。具體來說，當(dāng)壓電材料受到外部機(jī)械振動時，就會產(chǎn)生振動電勢，這個電勢與振動頻率相當(dāng)。接著，這個振動電勢會驅(qū)動壓電材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生剛度變化，從而通過反壓電效應(yīng)在壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生能量消耗和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到阻尼的效果。其中，材料內(nèi)部產(chǎn)生的能量耗散又可以通過電學(xué)元件產(chǎn)生電流進(jìn)行能量回收，

在實際應(yīng)用中，壓電阻尼主要分為2 類：①加入壓電阻尼器來對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行阻尼，基本原理如上所述；②利用現(xiàn)有的壓電材料本身作為阻尼器來對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行阻尼，這樣可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。不同的壓電阻尼方法會受到很多因素的影響，如壓電材料的性質(zhì)、機(jī)械系統(tǒng)的特點和應(yīng)用環(huán)境等。

壓電阻尼作為1 種創(chuàng)新性的技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動控制、精密測量和能量回收等領(lǐng)域。它可以在不增加系統(tǒng)質(zhì)量的同時，實現(xiàn)振動抑制和振動能量的回收利用，優(yōu)化系統(tǒng)的性能和效率。

長期以來人們利用正壓電效應(yīng)［5］構(gòu)建力作動器，利用逆壓電效應(yīng)構(gòu)建傳感器。通常情況，3 方向為極化方向，1、2 方向為與3 垂直的2 個正交方向；同時，假定電場方向總是平行于極化方向，因而d3j（j=1，2，3）表示極化方向在3 方向，而機(jī)械變形或受力方向在j 方向時的材料參數(shù)。顯然，d3，1、d3，2和d3，3有較大不同，因此壓電材料是各向異性材料，即d3，1=d3，2，d2，4=d1，5，。在實用中人們經(jīng)常用到的是33 模式（通常被稱為壓電片的“厚度模式”）和31 模式（通常被稱為壓電片的“彎曲模式”），d5，1模式通常被稱為“剪切模式”。圖1 為1 個壓電單元（31模式）示意圖。3 種模式下壓電作動器不同工作方式如圖2 所示。

圖1 壓電單元（31 模式）示意圖

圖2 壓電作動器不同工作方式

3 實例分析

以帶有壓電阻尼的懸臂梁結(jié)構(gòu)來驗證壓電能量回收性能。懸臂梁如圖3 所示，它一端夾緊，一端自由。壓電片材料選取為PZT 壓電陶瓷，以自身極化產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電片被粘在靠近夾緊端的梁上表面，以連接控制電路（SSDS 電路［6］），使壓電片作用力始終與結(jié)構(gòu)振動方向相反，有效產(chǎn)生能量回收作用［7］。壓電片的極化方向垂直于梁。以閉合回路中功率（電壓與電路乘積）來表征回收能量。正弦激振力施加于梁的自由端，以激振器所產(chǎn)生功率來表征作用能量?；厥漳芰颗c作用能量之比（能量回收比）來表征壓電阻尼在能源回收方面的效果。

圖3 具有壓電阻尼能懸臂梁能量回收試驗裝置

懸臂梁與壓電變相關(guān)參數(shù)見表1 和表2，激振力頻率控制在100 Hz。實例中通過改變激振力幅值，來計算對應(yīng)能量回收比，進(jìn)而來驗證壓電片在能源回收領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

表1 懸臂梁參數(shù)

表2 壓電片參數(shù)

通過改變不同的正弦激振力幅值大?。?～25 N），并保持激振頻率不變。回收比隨激振力變化折線圖如圖4所示。由圖4 可知，本文所用的壓電片能量回收比隨激振力幅值的增大而增大，且能量回收比穩(wěn)定在20%范圍內(nèi)，在能源回收領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。

圖4 回收比隨激振力變化折線圖

4 結(jié)論

（1）壓電材料具有能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的特性，因此在能量回收方面具有重要的應(yīng)用潛力。

（2）壓電阻尼技術(shù)能在減震的同時達(dá)到能量回收的目的。在本文所搭建的試驗裝置當(dāng)中，驗證了壓電阻尼能量回收技術(shù)的可行性，其在能源回收領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。