PZN-PNN-PZT壓電陶瓷材料在能量收集裝置中應(yīng)用.pdf

1、利用自然界清潔且儲量豐富的風(fēng)能，結(jié)合具有高能量密度的壓電材料，設(shè)計(jì)出為小型電子器件和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的能量收集裝置已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。但是能量轉(zhuǎn)換效率的低下始終制約著壓電能量收集裝置的廣泛應(yīng)用。主要原因有二：第一、壓電材料作為整個(gè)壓電能量收集裝置的核心，本身必須滿足大功率能量輸出的要求，即應(yīng)該具有較高的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)值 d33·g33；第二、壓電能量收集裝置的結(jié)構(gòu)對提升能量轉(zhuǎn)換效率起著至關(guān)重要的作用。本論文從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手進(jìn)

2、行改進(jìn)，以獲得高能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的壓電材料及高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的壓電能量收集裝置，從而解決小型風(fēng)力壓電發(fā)電裝置效率和輸出功率低的問題。
　　本文首先在現(xiàn)有的成分點(diǎn)0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3–0.1PZN–0.1PNN的基礎(chǔ)上，通過改變Zr:Ti含量比即0.8Pb(ZrxTi1-x)O3–0.1PZT–0.1PNN，確定實(shí)驗(yàn)成分點(diǎn)，制備陶瓷樣品。通過對比陶瓷樣品在這些成分點(diǎn)的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)明顯的“三方—四方”轉(zhuǎn)變過程，找到相變

3、點(diǎn)。在Zr:Ti=52:48及Zr:Ti=50:50得到了具有兩個(gè)d33·g33值較高的成分點(diǎn)，對應(yīng)的d33·g33值分別為20019×10-15m2/N和17500×10-15 m2/N。這樣不僅找到了高能量密度的成分點(diǎn)，而且深化了人們對該體系材料相變特性的認(rèn)識。
　　然后，基于“共振可以產(chǎn)生最大的能量輸出、沖擊可以激發(fā)出所有頻率的振動、一階彎曲振動振幅和份額最大”等振動學(xué)基本規(guī)律，設(shè)計(jì)并成功搭建了“彈性球-沖擊”的基本沖擊實(shí)驗(yàn)

4、平臺，研究了諸參數(shù)對彈性球沖擊壓電振子俘能單元能量輸出特性的影響規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對于沖擊型壓電振子，銅片和陶瓷片的任一尺寸改變都會對輸出電壓產(chǎn)生一定影響；當(dāng)其他尺寸一定時(shí)，銅片的厚度在一定范圍內(nèi)對輸出的電壓有重要影響。
　　在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩款利用沖擊產(chǎn)生機(jī)械振動的旋轉(zhuǎn)型壓電俘能裝置。其中，水平旋轉(zhuǎn)式能量收集裝置采用內(nèi)多邊形結(jié)構(gòu)，通過改變壓電振子的數(shù)量控制壓電懸臂梁組成的內(nèi)多邊形的大小，通過尺寸設(shè)計(jì)就可將每次彈性球沖擊的位置限

5、制在一階彎曲共振點(diǎn)附近，即有效地將沖擊區(qū)域限制在壓電懸臂梁的一階彎振模態(tài)上，從而大大提高了輸出功率和發(fā)電效率。垂直旋轉(zhuǎn)式的旋轉(zhuǎn)軸采用垂直水平面安置，葉片安裝方式類似達(dá)里厄（darrieus）型風(fēng)車。其優(yōu)點(diǎn)在于全風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，不用對風(fēng)向，因而具有高的風(fēng)能利用率；此外，彈性球在旋轉(zhuǎn)隔板作用下撞擊壓電振子端部，形成沖擊并反彈，在隔板與壓電振子形成的空腔內(nèi)交替作用于隔板和壓電振子，解決了大風(fēng)速下由于離心力產(chǎn)生的停轉(zhuǎn)問題；而且，多自由球和多振子設(shè)置，