EAP換能單元發(fā)電量的影響因素分析

趙豐剛,陳 潔,鄭國華,曾浩然,符 悅

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

利用功能材料所具有的特殊物理、化學(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)能量的捕獲和轉(zhuǎn)化，是新能源領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容，壓電陶瓷、磁致伸縮材料等用于能量收集已有應(yīng)用[1-2]。單層電活性聚合物(EAP)膜的電流很小，當(dāng)有1 000層或更多連在一起，就有可觀的電流。EAP是一類可在電壓下改變其形狀或尺寸的聚合物材料的統(tǒng)稱，其具有柔性好，變形大，強(qiáng)度持久，能量密度大和能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，在面向低頻能量收集領(lǐng)域潛力大[3]。

與煤、新能源發(fā)電及其他功能材料收集能量相比，EAP材料用于能量轉(zhuǎn)化具有以下優(yōu)點[4-7]：

1) 具有很高的比能密度和寬頻范圍內(nèi)的高換能效率。

2) 柔韌度好，密度小，成本較低，無毒。

3) 作為軟體材料，易與機(jī)械能量源直接耦合，理論上無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

4) 耐沖擊、抗疲勞,工作溫度及濕度范圍寬，3M公司的VHB系列的材料長期耐溫是100 ℃，短期耐溫160 ℃，材料一般可承受 500萬次的機(jī)械拉伸循環(huán)而不致失效。

5) EAP材料成本低，其形狀尺寸可根據(jù)實際需要改變。

EAP材料最顯著的特點是變形量很大，具有較高的能量密度和換能效率，EAP材料的能量密度為0.4 J/g，換能效率可達(dá) 60%～80%。總之，就能量收集所需的綜合性能而言，被稱為“人工肌肉”的 EAP 是極具應(yīng)用價值的功能材料之一，特別在低頻、大變形能量源(如人體運(yùn)動、風(fēng)和海浪等)的場合，更是蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用潛力[8]。文獻(xiàn)[9]對EAP材料的驅(qū)動模式進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[10-13]對EAP材料在發(fā)電模式下能量轉(zhuǎn)化和收集進(jìn)行了研究。

1 EAP材料發(fā)電機(jī)理

EAP材料有兩種工作模式：

1) 驅(qū)動模式。在EAP材料兩面涂抹上柔性電極，再加上電壓，由于異性電荷相互吸引，靜電力作用在EAP上，EAP變薄，面積變大，可實現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，可用于機(jī)器人[14]。

2) 發(fā)電模式。將EAP拉伸，使其面積增加，厚度減小，電容增大，再給EAP加上電源，令其帶上電荷，再自由收縮，此過程EAP膜的彈力克服靜電力做功，彈性勢能減少，電勢能增大，直到材料的恢復(fù)力等于靜電力，EAP膜不再收縮，完成了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

EAP材料的這兩種工作方式是兩個可逆的過程。EAP是一種介電有機(jī)材料，具有彈性，當(dāng)對EAP材料加上電荷、再繼續(xù)對材料輸入機(jī)械能后，EAP材料可實現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電勢能。外部提供預(yù)加電壓，是為了對EAP材料進(jìn)行充電，是完成發(fā)電循環(huán)不可缺少的環(huán)節(jié)。

EAP換能單元按結(jié)構(gòu)可分為上層、中間層和下層。中間層為聚丙烯酸介電彈性體材料，上、下兩層為柔性電極材料構(gòu)成等效電容。在拉伸EAP膜時，認(rèn)為其體積不變，EAP膜未拉伸前的表面積為A0，厚為l0,拉伸后的表面積為A，膜厚為l，則有：

A0l0=Al

(1)

EAP換能單元等效為一個電容器，電容為

(2)

式中：εr為EAP材料的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)。

拉伸后的EAP換能單元，形似一個圓臺(見圖1)，則拉伸后換能單元的表面積A為

(3)

合并式(1)～(3)可得EAP換能單元等效電容Ceq與拉伸位移y的關(guān)系為

(4)

式中C0為拉伸位移y=0時換能單元的電容。

圖1 EAP換能單元變形圖

在發(fā)電前需提供預(yù)加電壓，為EAP換能單元提供初始電荷。因此，預(yù)加電壓是介電彈性體發(fā)電機(jī)完成機(jī)電轉(zhuǎn)換必不可少的環(huán)節(jié)。

EAP換能單元機(jī)電轉(zhuǎn)換過程，圖2(a)為一個簡單的機(jī)電轉(zhuǎn)換示意圖，可直觀地解釋介電彈性體的機(jī)電轉(zhuǎn)換的宏觀過程。首先加載外部電源給介電彈性體材料充電，并在外部機(jī)械力作用下產(chǎn)生形變，然后斷開電源，由于自身的形狀記憶效應(yīng)使得介電彈性體在彈性恢復(fù)力作用下恢復(fù)初始形狀，從而自身電容值降低，電壓值升高，并向外放電。理想狀況下，輸入的機(jī)械能即為換能單元增加的電能。假設(shè)換能單元的初始儲存電能W0(y=0)為

(5)

式中U0為拉伸位移y=0時換能單元的電壓。

圖2 EAP換能單元能量轉(zhuǎn)化機(jī)理

拉伸位移為y后，換能單元儲存電能為

(6)

式中C1，U1分別是拉伸位移為y時換能單元的電容和電壓,則換能單元增加的電能為

ΔE=W1-W0

SI4133芯片內(nèi)每個鎖相環(huán)都有各自的鑒相器增益Kp、分頻系數(shù)N、分配系數(shù)R。不同的相位鑒別器增益Kp的設(shè)置，會導(dǎo)致分頻系數(shù)R與分頻系數(shù)N有不同的取值限制范圍。表2展示了不同相位鑒別器增益設(shè)置對應(yīng)的系數(shù)N的取值范圍。表3展示了不同相位鑒別器增益設(shè)置對應(yīng)的系數(shù)R的取值范圍[33]。

(7)

基于EAP換能單元工作原理及宏觀過程(見圖2(a))，其能量收集循環(huán)過程由以下 4 個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：

1) 拉伸 EAP換能單元，即輸入機(jī)械能，假設(shè)輸入了1個單位的機(jī)械能。

2) 拉伸狀態(tài)下，對EAP換能單元加偏置電壓，相當(dāng)于在薄膜兩面加入異性電荷，假設(shè)輸入了一個單位的電能。

3) 收縮過程(見圖2(b)),薄膜自然彈性恢復(fù)，薄膜厚度增大；同時，異性電荷在薄膜兩面距離增大，同性電荷距離減少，EAP膜的彈力克服柔性電極上電子的靜電力做功，電勢能增加, 彈性勢能減少。此過程中以薄膜應(yīng)變形式存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了EAP換能單元的電能增加。

4) 電能被釋放,換能單元回到工作拉伸前的初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次循環(huán)。

2 試驗部分

2.1 主要試驗儀器和試驗試劑

主要試驗儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、萬用表(VICTOR VC890D)、高壓發(fā)生器及模擬電路實驗箱(THM-1型)。試驗試劑有聚丙烯酸橡膠(VHB 4910型)及導(dǎo)電膏(DDG-A型)。

2.2 EAP換能單元的制作

圓形EAP換能單元制作容易，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。實驗采用VHB 4910橡膠作為介電材料，制作圓形EAP換能單元。制作步驟：

1) 預(yù)拉伸。按照每次試驗給定的預(yù)拉伸率對膜進(jìn)行雙向等軸預(yù)拉伸。

3) 涂抹柔性電極。將事先配置好的柔性電極均勻涂在EAP膜兩側(cè)，使柔性電極和錫箔紙充分接觸。

2.3 正交試驗影響因素的確定

影響EAP換能單元輸出電流的因素較多，研究發(fā)現(xiàn)，介電材料、偏置電壓、預(yù)拉伸率、電極材料、薄膜厚度、拉伸位移及溫度等因素對EAP換能單元的輸出電流影響較大[15-19]，

為了減少試驗次數(shù)，我們采用正交試驗，不僅要保證試驗中未考慮因素的一致性，還需要考慮窗口直徑大小及預(yù)拉伸方式，溫度的一致性。為保證未考慮因素的一致性，預(yù)拉伸方式都為等軸雙向拉伸，柔性電極都為同一導(dǎo)電膏涂抹。

2.3.1 換能單元工作模式的選擇

EAP換能單元發(fā)電時是EAP驅(qū)動器的逆向使用，他有兩種工作模式，根據(jù)回退過程中EAP換能單元是否與高壓發(fā)生器接通，分為恒電荷模式和恒電壓模式。本文試驗采用恒電荷模式，其電路如圖3所示。表1為EAP換能單元兩種工作模式。

圖3 EAP換能單元兩種工作模式電路圖

模式開關(guān)初始階段拉伸充電階段收縮階段放電階段恒電荷開關(guān)1斷開閉合斷開斷開開關(guān)2斷開斷開斷開閉合恒電壓開關(guān)1閉合閉合閉合閉合開關(guān)2斷開斷開斷開閉合

2.3.2 試驗電路和試驗平臺

為進(jìn)行正交試驗，搭建試驗平臺如圖4、5所示。由于換能單元的放電電流為微安級，萬用表無法直接讀數(shù)，采用2 GΩ的電阻與EAP換能單元串聯(lián)，由于示波器不能直接讀數(shù)，所以使用萬用表直接讀取電阻兩端電壓UR。由于換能單元放電電流是衰減電流，所以測得的電阻電壓也逐漸減小。故使用萬用表測電壓時，每次取讀到的最大值。

圖4 試驗平臺電路圖

圖5 試驗平臺實物圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 因素水平表的確定

對輸出電壓的影響因素較多，研究者都給出了自己的影響因素，如預(yù)拉伸率、拉伸位移、預(yù)加電壓、電極材料等。根據(jù)EAP材料發(fā)電原理，試驗選擇預(yù)拉伸率、拉伸位移、預(yù)加電壓、膜面積及膜厚度為試驗因素，設(shè)計出正交實驗因素水平表，如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

3.2 正交試驗結(jié)果及分析

表3 正交試驗設(shè)計結(jié)果及極差分析

3.2.1 試驗因素與電阻電壓的關(guān)系

圖6為試驗因素與試驗水平關(guān)系。由表3、圖6可看出，預(yù)拉伸率的各水平平均值隨著預(yù)拉伸率增大而增大，即其他因素不變，預(yù)拉伸率越大，電阻電壓越大。從表3中第一列的極差R值小可知，預(yù)拉伸率對試驗的目標(biāo)電阻電壓影響較小。對于EAP材料，有自己能承受拉伸的范圍，預(yù)拉伸率過大，則EAP膜會裂開。拉伸位移的水平平均值隨著水平值增大而增大，即在其他因素不變的情況下，拉伸位移越大，電阻電壓越大，這也符合實際情況，拉伸位移越大，相當(dāng)于輸入更多的機(jī)械能，從而可轉(zhuǎn)換為更多的電能。換能單元的EAP膜不可能有很大的拉伸位移，當(dāng)拉伸位移變大時，膜的厚度變小，當(dāng)膜和高壓發(fā)生器接通時，膜上電壓大，很可能擊穿膜。EAP膜面積的水平平均值隨著水平增大而增大，且極差R值最大，說明換能單元膜的面積對試驗結(jié)果影響最大，且膜的面積越大，電阻電壓越大，這符合EAP換能單元的發(fā)電原理，膜的面積越大，則膜上可存儲更多的電荷，當(dāng)換能單元和電阻接通時，則可放出更大的電流。

圖6 試驗因素與試驗水平關(guān)系

3.2.2 正交試驗結(jié)果的方差分析

由表3中誤差列的極差小于其他因素的極差，說明本次試驗所考慮的各因素間無交互作用，且試驗誤差小，試驗結(jié)果可靠性高。由R值可知，各因素對試驗結(jié)果影響順序為：膜面積>拉伸位移>預(yù)加電壓>預(yù)拉伸率>EAP膜厚度。將5個因素的最優(yōu)水平組合，得到條件為預(yù)加電壓1 000 V，預(yù)拉伸率400%，拉伸位移4 cm，膜面積62.41 cm2，EAP膜厚度1 mm。但這個試驗水平組合未在16組實驗中，從實驗結(jié)果來看，最好的是第1次實驗，而這次實驗預(yù)拉伸率和預(yù)加電壓都不是處在最好水平，這也說明預(yù)拉伸率和預(yù)加電壓對試驗結(jié)果的影響無拉伸位移和EAP膜面積大。最后做1組補(bǔ)充實驗，在最佳工作條件下測得電阻電壓為447 V。

極差分析無法準(zhǔn)確計算實驗誤差的大小，各因素水平對實驗結(jié)果影響的顯著性也無法正確估計[20]。方差分析可將試驗中因試驗因素水平變化引起的數(shù)據(jù)波動同試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分[21]，因此，采用方差分析試驗誤差,由spss軟件自動生成方差分析表和顯著性檢驗，如表4所示。表中，F(xiàn)為采用F檢驗公式計算得到的值,Sig為差異性顯著的檢驗值，該值與0.05比較，小于0.05表示差異顯著。

表4 方差分析

方差來源偏差平方和自由度均方差FSig預(yù)拉伸率預(yù)加電壓拉伸位移膜面積膜厚度空白列213.187126.6871 958.18016 539.60022.5635.06333331171.06242.229652.7295513.22022.5635.0632.1491.27719.742166.7500.6820.1530.4560.5590.1640.0270.5600.763

由表4可知，分析結(jié)果表明，實驗因素預(yù)拉伸率、預(yù)加電壓、拉伸位移、膜厚度的Sig值都大于0.05，則這兩個因素對試驗結(jié)果的作用不顯著；膜面積的Sig值為0.027，小于0.05，說明因素膜面積顯著。由表4中Sig值可看出，各因素的主次順序為：膜面積，拉伸位移，預(yù)拉伸率，預(yù)加電壓，膜厚度。與極差分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文從微觀和宏觀闡述了EAP換能單元的能量轉(zhuǎn)化過程和發(fā)電原理，再通過正交試驗定量的說明了影響EAP換能單元一個循環(huán)過程發(fā)電量的因素，并得出如下結(jié)論：

1) EAP換能單元的發(fā)電是依靠EAP膜的彈性將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，了解EAP換能單元的發(fā)電原理，對應(yīng)用EAP材料進(jìn)行能量收集有重要意義。

2) 正交試驗考慮的5個因素中，EAP膜面積影響最大，拉伸位移其次，但拉伸位移不可能過大，過大的拉伸位移會將膜撕破，且隨著拉伸位移的不斷增大，EAP膜越來越薄，易被高電壓擊穿，形成漏電流，導(dǎo)致電能損失。

3) 通過正交試驗得出，預(yù)拉伸率400%，預(yù)加電壓1 000 V，拉伸位移4 cm，膜面積62.41 cm2，EAP膜厚度1 mm時，電阻電壓最大。