聚丙烯壓電駐極體的振動能量采集研究

武麗明，張曉青

(同濟大學 物理科學與工程學院,上海市特殊人工微結構材料及技術重點實驗室,上海 200092)

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聚丙烯壓電駐極體的振動能量采集研究

武麗明，張曉青

(同濟大學 物理科學與工程學院,上海市特殊人工微結構材料及技術重點實驗室,上海 200092)

以線性聚丙烯(PP)為原材料，經壓縮氣體膨化處理和電暈極化處理后，使其具有壓電效應，并將其應用在振動能量采集器中。結果表明，PP壓電駐極體在厚度方向上的彈性模量和機械品質因數(FOM,d33·g33)分別為1.7 MPa和8.4 GPa-1，利用面積為3.14 cm2單層膜進行能量采集，當振子質量為25.6，33.7和57.7 g時，其共振頻率分別為2 300，2 000和1 800 Hz，在各自的匹配負載條件下，獲得的輸出功率分別為10.1，13.2和16.9 μW/g2。將兩片PP膜電學串聯，當振子質量為33.7 g時，在共振頻率1 400 Hz和匹配負載4.3 MΩ的條件下，可以獲得的輸出功率為15 μW/g2。

聚丙烯；壓電駐極體；能量采集

0　引　言

壓電駐極體(piezoelectrets)兼有鐵電材料和空間電荷駐極體的特點，因此也稱為鐵電駐極體[1-2]，是一類新型的人工智能和新能源材料[3-7]。和陶瓷材料相比，線性聚丙烯(PP)壓電駐極體膜不但具有強的壓電效應，同時還具有價廉、質輕、柔韌、低聲阻抗等特點，因此被廣泛應用于制備柔性薄膜力傳感器、柔性場效應管、空氣耦合超聲波檢測和成像系統等[4-5,8-12]。

近年來，隨著超低功耗電子器件在無線傳感器網絡、嵌入式系統、射頻識別、無線通訊等方面的應用，通過采集環境振動能來實現傳感網絡節點的自供能和其它便攜式電子器件的自供能成為了學術界和工程領域的熱點問題。

壓電駐極體已經被應用于振動能量采集器中，向低功耗電子器件提供電能[5,13-14]。前期研究表明壓電駐極體準靜態d33數值遠遠高于PVDF，同時，機械品質因數(FOM，d33·g33)是衡量壓電材料產生電能大小的一個很大因素，其中PP壓電駐極體的品質因數(約8.6 GPa-1)比聚偏氟乙烯鐵電薄膜PVDF(約0.0091 GPa-1)高出幾個量級以上[17-18]，所以壓電駐極體相對于PVDF等材料在能量采集中具有更明顯的優勢[19]。近期的文獻報道中，在{3-3}振動模式下，以PP膜或聚全氟乙丙烯(FEP)為原材料，輸出能量大約為10 μW/g2[13-15]。

經過前期基礎的研究，發現PP膜本身具有良好的機械性能以及電學性能[4]，因此，本文中以PP膜為研究對象，研究該材料在{3-3}模式下的振動能量采集，并將實驗結果與理論值進行比較、討論。

1　實　驗

1.1樣品的制備

本實驗以50 μm厚的市售PQ50多孔膜為原材料。將樣品膜剪成10 cm×15 cm的長方形[4]。然后利用壓力膨化工藝，將樣品放置在壓力為1.9 MPa，溫度為110 ℃的高壓釜中，保溫3.5 h，隨即將高壓釜內的壓力迅速降至環境氣壓，將樣品取出，冷卻至室溫[4,12]。

為了使樣品具有壓電效應，必須對經過膨化處理后的PP膜進行極化。極化時，電暈電壓和柵網電壓分別為-25和-10 kV，充電時間為60 s。極化處理完成后，在PP膜兩面真空蒸鍍直徑為20 mm，厚度約為100 nm的圓形鋁電極。

1.2準靜態壓電系數d33的測量

本文采用準靜態法測量PP膜的準靜態壓電系數d33，測量過程如下：首先將樣品膜放置在試樣架上，把質量為m的砝碼放在樣品上，然后迅速移去砝碼，利用靜電計(Keithley 6514)來測量在卸載過程中樣品膜上下電極的感應電荷的變化量Q，利用式(1)來計算出樣品的準靜態壓電系數d33。

(1)

其中g為重力加速度[20]。PP膜的準靜態壓電電壓常數g33是根據式(2)計算所得

(2)

其中ε0為真空介電常數,εr為相對介電常數。

1.3PP膜復電容譜的測量

(3)

其中，C′,C″,ε,ω,A，t和fa分別是電容實部,電容虛部，介電常數，角頻率，樣品面積，樣品厚度和反諧振頻率。

PP壓電駐極體膜厚度方向的彈性模量Y3的計算式為

(4)

其中，fa為PP壓電駐極體膜的反諧振頻率，ρ為測量樣品的體密度，t為測量樣品的厚度。

1.4PP膜能量采集的測量

圖1[23]為測量PP能量采集器輸出能量的裝置，如圖所示，壓電薄膜放在振動臺上，質量為m的振子放在壓電薄膜上，并且將PP壓電薄膜與不同的負載相連，當信號發生器產生的不同頻率的信號時，通過功率放大器驅動振動臺，同時通過電荷放大器來采集在振動過程中經過不同負載Rl所產生的感應電荷量。利用振動計(VM-6370)測量加速度a。

圖1　能量采集測試系統的示意圖[23]

Fig 1 Schematic of setup for measurementing the output power from energy harvesters[23]

2　結果與討論

2.1微觀形貌

圖2所示為PP樣品膨化前后的SEM對比圖，其中圖2(a)為膨化之前PP膜的孔洞結構，此時樣品的厚度約為50 μm，內部孔洞較緊實，圖2(b)為膨化后的樣品，經過壓力膨化工藝，PP膜的微觀結構及形貌特征發生改變，厚度增加到80～90 μm，薄膜內部孔洞張開，此種形貌有利于提高PP膜的電極化能力和降低膜厚度方向的楊式模量，進而增強PP膜的壓電效應[3, 12]。

圖2　PP樣品膨化之前與膨化之后的SEM圖

Fig 2 SEM images of the cross-sections for PP film as received and after pressed gas expansion treatment

2.2介電譜

圖3為PP壓電駐極體樣品在雙面自由振動的厚度(TE)模式下得到的復電容隨頻率變化的曲線圖。其中，PP樣品膜的準靜態d33為300 pC/N，厚度約為76 μm，電極面積為3.14 cm2,測量頻率范圍為1 kHz到1 MHz。由圖3中可以看出，樣品在1 kHz下的電容約為47 pF，樣品的反諧振頻率為380 kHz，由式(2)可以計算得到PP膜厚度方向的彈性模量Y3=1.7 MPa。利用具有復數處理能力的擬合軟件，采用最小二乘法對復電容數據進行擬合[22]，可以得到樣品在1 kHz下的相對介電常數εr和機電耦合系數kt分別為1.7和0.05，諧振頻率下的動態d33=194 pC/N。

圖3　PP壓電駐極體樣品復電容譜圖

Fig 3 Dielectric resonance spectrum for an PP piezoelectret sample

當輸入的機械力為定值時，可以用壓電應變系數d33和壓電電壓系數g33的乘積來表征壓電材料的品質因數(FOM=d33·g33)[19]，g33=d33/ε0εr，其中ε0為真空介電常數,εr為相對介電常數。對于面積和厚度相同的樣品,當振動頻率和振子質量為定值時，品質因數較大的樣品會產生更多的能量[13]。計算可得PP樣品的品質因數FOM為8.4 GPa-1，該值比聚偏氟乙烯(PVDF)鐵電聚合物膜高兩個量級以上[18]，說明PP壓電駐極體在能量采集的應用中有一定的優勢。

2.3能量采集

圖4為單層PP膜的電荷靈敏度曲線。

圖4　PP壓電駐極體電荷靈敏度

Fig 4 Normalized charge sensitivity as a function of vibration frequency at various load resistances

圖中不同負載電阻跨接在樣品的倆電極上，測量不同振動頻率下流過負載電阻的電荷量，并對所得到的電荷量進行歸一化處理，得到電荷靈敏度曲線。測試所用PP樣品的準靜態d33為300 pC/N，電極面積為3.14 cm2，1 kHz下的電容值為47 pF，振子質量為25.6 g。在共振頻率與匹配負載的條件下，能量采集器可以輸出最大的功率。利用[13]

(5)

其中，m為振子質量,t為薄膜厚度，可以計算出樣品的共振角頻率ω0。

經過測量可以得出該樣品的共振頻率為2 000 Hz，同時根據式

(6)

其中，C為樣品的電容。

可以計算出該樣品的最佳負載為1.6 MΩ。

圖5為單層PP膜在最佳負載下的能量采集曲線，PP壓電駐極體樣品的面積為3.14 cm2，準靜態壓電系數d33為280 pC/N，在1 kHz下的電容為59 pF。在短路條件下，通過測量樣品的輸出電荷與振動頻率之間的關系，可以獲得不同振子質量樣品的共振角頻率，根據式(4)可以計算出匹配負載電阻，從而選取最佳負載進行測量。振子質量為25.6，33.7和57.7 g時，共振頻率分別為2 300，2 000和1 800 Hz，匹配負載分別為910 KΩ，1.6和2.4 MΩ。從圖5中可以看出在低于共振頻率時，輸出功率隨著頻率的增加而增加，當高于共振頻率時，輸出功率急劇下降。并且隨著振子質量的增加，測量過程中的共振頻率逐漸降低。

圖5單層PP壓電駐極體膜在最佳負載條件下，經歸一化后輸出功率與振動頻率之間的關系。其中散點為實驗數據，實線為擬合曲線

Fig 5 Normalized output power as a function of vibration frequency for a single-layer PP films at various seismic mass. Scatters are the experimental data, the solid lines are fit curves

其中輸出功率Pout的計算公式為[13]

(7)

其中，I是流過負載的電流,ω是振動的角頻率，Rl為實際負載電阻。將其進行歸一化處理，則輸出功率Pn為

(8)

其中，g=9.8 m/s2為重力加速度，a為實際加速的有效值。經計算，在匹配負載的條件下，不同的振子質量分別可以獲得的最大輸出功率是10.1，13.2和16.9 μW/g2。

將實驗結果進行了擬合處理。Pondrom等提出的基于壓電駐極體的能量采集器在{3-3}模式下，輸出功率的表達式為[13,23]

(9)

其中，ζm為機械阻尼系數，Rc=1/ωC，C為樣品和寄生電容的總和。

利用式(7)對所得到的實驗數據進行擬合，如圖5中的實線所示。由此獲得的壓電系數和機械阻尼系數分別在170～180 pC/N和0.07～0.09之間(其它數據采用測量值)。擬合得到的動態壓電系數比準靜態壓電系數小，這與文獻中的相關報道一致[2-3]。

由于環境振動源的頻率有一定的分布，所以要求振動能量采集器在較大的頻率范圍都能有效的俘獲振動能。本研究中，采用3 dB帶寬比來表征壓電駐極體振動能量采集器的帶寬。經過計算發現，當振子質量分別為25.6，33.7和57.7 g時， 振動能量采集器的3 dB帶寬比率分別為15.5%，15.6%和17.8%。3 dB帶寬比的數值隨著振子質量的增加而增大，這可能與較大的振子質量導致系統的機械阻尼系數增強有關。

圖6雙層PP歸一化后輸出功率與振動頻率之間的關系

Fig 6 Normalized output power as a function ofviberation frequency for a double-layer stacks of PP films

2.4利用能量采集器為電容器充電

為了演示能量收集器的效果，利用PP壓電駐極體能量采集器收集到的能量給不同電容值的電容器進行充電：在1.9 kHz的振動頻率下，分別給6 800，2 200和470 μF的電容器進行充電，結果如圖7所示。圖8為電容器充電的原理圖：PP壓電駐極體在振動的激勵下產生的交流電經過整流電橋后轉換為直流電，然后與電容器相連。

圖7　PP膜充電不同電容值的電容器

Fig 7 Voltage as a function of time for capacitors charged by PP piezoelectrets based energy harvesters

圖8　PP膜能量采集給電容器充電的原理圖

3　結　論

多孔PP薄膜經壓縮氣體膨化工藝處理及恰當的極化后具有顯著的壓電效應，可以將其應用在振動能量采集器中。通過測量發現，PP壓電駐極體在1 000 Hz下的相對介電常數εr為1.7；機電耦合系數kt為0.05；厚度方向上的彈性模量為1.7 MPa;機械品質因數(FOM,d33·g33) 為8.4 GPa-1。利用單層膜進行能量采集，當振子質量為57.7 g，在1 800 Hz共振頻率和2.4 MΩ的最佳負載下，可以獲得的輸出功率為16.9 μW/g2。將兩片PP膜進行電學串聯，當振子質量為33.7 g時，在1 400 Hz共振頻率和4.3 MΩ的匹配負載下，可以獲得的輸出功率為15 μW/g2。基于PP壓電駐極體的能量采集器可為低功耗電子器件提供電能。

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Vibration-based energy harvesting with polypropylene

WU Liming, ZHANG Xiaoqing

(Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology & School of Physics Science and Engineering,Tongji University, Shanghai 200092, China)

Cellular polypropylene (PP) films were rendered piezoelectric after pressed gas expansion treatment and proper polarization, and applied in vibration energy harvesters. The results show that Young’s modulus in thickness direction determined from dielectric resonance spectra, and the figure of merit FOM (d33·g33) are 1.7 MPa and 8.4 GPa-1, respectively. For a PP film sample with a quasi-static piezoelectricd33coefficient of 280 pC/N, area of 3.14 cm2, and capacitance of 59 pF at 1 000 Hz, a normalized output power of 16.9 μW/g2was obtained under conditions of a seismic mass of 57.7 g, a matched load resistance of 2.4 MΩ, and a resonance frequency of 1 800 Hz. Two pieces of PP films were in electrical series, the capacitance is 25.4 pF in total. The output power of 15 μW/g2was obtained with an area of 3.14 cm2, a seismic mass of 33.7 g and a matched load resistance of 4.3 MΩ. The piezoelectrets based energy harvesters may be used to power low-power electronics.

polypropylene； piezoelectrets； energy harvesting

1001-9731(2016)08-08074-05

國家自然科學基金資助項目(51173137，11374232)；中央高校基本科研資助項目(同濟大學2014)

2015-05-22

2016-03-22 通訊作者：張曉青，E-mail: x.zhang@tongji.edu.cn

武麗明(1990-)，女，河北保定人，碩士，師承張曉青教授，從事駐極體能量采集研究。

O469

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.012