基于壓電陶瓷材料的能量收集系統

李明春，陳賀，閆海路，凌玲，朱瑩瑩，王嘉龍，安利鴿

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

0 引言

當前，科技發展水平正快速進步，隨著未來人們對能源的大量需求，新能源也快速的向清潔化、循環化、高效化等方面發展。電是我們現在日常生活中必不可少的部分，常見的發電形式有火力發電、水力發電、核電、太陽能發電、風力發電，這些常見的發電形式中只有風力發電、太陽能發電都是新興發電形式，雖然容量較小，但它是清潔能源。由發電形式的不斷變化可以看出清潔能源的重要。在生活中許多不起眼的能量就可以收集起來轉化成電能給一些需電量少的物品供電，如何收集能量，怎樣轉化成電能就是需要解決的核心問題。

1 壓電陶瓷簡介及物理機制

壓電陶瓷材料是一種同時能夠將介質機械力和能量的轉換轉化為其他電能的陶瓷材料,壓電陶瓷除了能具有好的壓電性,同時還可以具有介質的電性、彈性等諸多特點。壓電陶瓷材料在這種外力作用下,引起內部正負兩端電荷軸向中心相對方向位移而間接發生電荷極化,從而直接導致陶瓷材料內部兩端電荷表面之間出現正負相反的束縛電荷及其形成也稱壓電陶瓷效應[1-2]。

在這種無來源電極化的這種工作條件下的情況中在下壓電片的電極片和陶瓷片的束縛電極兩端就有可能會同時連接出現束縛電荷,所以在這個束縛電極片的表面上就可能會同時吸附了一層大量的來自這個電極片和外界的自由電荷。當利用電機振動給一個小型陶瓷片的施加一個大的軸向外界壓力時,陶瓷片的兩端經過放電后就會同時振動出現一種具有放電性的振動現象。這種將低壓電機械化學離子輻射效應轉變成為超高壓無機電離子輻射效應的機械化學離子現象則也可能屬于正常的超高壓電機械化學離子效應[3]。此外,壓力發電機和陶瓷也分別兼備具有這種自發性和電磁極化的重要物理特點,而這種自發性的電磁極化也可以使其結構可以在各種不同外力的相互作用下迅速性地發生物理化學性的轉變。因此,在這種特殊外力作用下,壓電后的白色陶瓷磚就可能會容易受熱發生嚴重的熱變形。然而,壓電極化不是陶瓷材料殼體振動變形的主要形成原因,是因為此時當殼體內部加上與自發式高壓交流電極化相同的其他各種外力作用時,在一定的很或較大程度上已經大大增強了自發壓電極化時的振動強度。在一定的程度上增強了極化強度。極化元件強度的不斷增加可以使的超高壓力導電活性陶瓷片沿著高極化強度方向不斷延長。相反,如果導體加大了反向面的電場,則導體陶瓷片沿著電極化面的方向可以縮短[4]。

2 壓電陶瓷制備流程介紹

工藝流程如下：配料--混合磨細--預燒--二次磨細--造粒--成型--排塑--燒結成瓷--外形加工--被電極--高壓極化--老化測試。

（1）配料：配料階段要注意去除物料中的雜質以及水分，按照事先計算好的配方用精準稱量儀器進行稱取，量比較小的物質要放在量比較大的物質中間，以保證充分混合。（2）混合磨細：將稱取好的物質充分混合均勻，磨細，為下一步的預燒做好準備，小批量采取干磨，大批量可以使用鋯球進行研磨。（3）預燒：在高溫的條件下，原料進行固相反應初步合成壓電陶瓷，溫度條件，研磨條件等對初步的固相反應影響較大。（4）二次細磨：將初步的壓電陶瓷再次研磨，使原材料混合更加充分，保證最終材料的均勻性。（5）造粒：加入粘合劑使粉料形成高密度流動性好的顆粒物質，注意粘合劑的量。（6）成型：將形成的顆粒物質按照預先要求好的尺寸進行壓結，初步成型。（7）排塑：將制粒時加入的粘合劑從初步成型的毛胚中除掉。（8）燒結成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結成瓷，注意溫度的控制。（9）外形加工：將制好的半成品進行細加工從而達到滿足要求的規格。（10）被電極：在做好的陶瓷表面復銅鍍錫使其形成正負電極。（11）性能測試：當陶瓷片性能達到穩定時進行指標檢測。

3 材料選取

壓電陶瓷是常見的能量收集材料，為了能使得地板式壓電陶瓷發電裝置能夠更好的產生電能，在選材時，使得較大的應力形變，并且有較高的壓電常數和機電耦合系數[3]，且介電常數較小，以便于高效的進行能量收集。因此選用了PZT-5材料作為能量收集的陶瓷，PZT-5具有發電的各個不同優點，其PTZ-5性能參數如表1所示。

表1 PTZ-5性能參數

4 地板式壓電振動能量收集結構設計

地板式壓電陶瓷發電裝置主要有以下結構：下壓板、上壓板，壓墊、圓形壓電陶瓷片等部分組成結構，如圖1所示。

圖1 地板式壓電陶瓷發電裝置

如圖1中所示，1是壓墊、2是上壓板、3是下壓板、4是圓形壓電陶瓷片。其工作的原理是：當其使2上壓板壓在1壓墊上，并壓在3下壓板上。利用外力即當行人踏在2上壓板時，給2上壓板一個壓力，通過2上壓板和3下壓板的擠壓，使得4上的圓形壓電陶瓷片達到形變的效果，從而產生微弱能量[4]，而這個微弱的能量恰好可以通過能量收集裝置進行存儲，從而達到能量儲存的預期效果。

地板式壓電陶瓷發電裝置的特色：系統結構相對簡易、制作簡單、價格便宜，且充分利用了振動能這種新能源。但對于使用圓形壓電陶瓷材料的過程中，在其形變時產生的電壓最高可達到3V左右 ，而電流只有0.01mA左右。為解決電流較小的問題，綜合考慮使用多個圓形陶瓷片進行并聯從而到達增大電流。

5 電路的能量收集流程及效果

在能量收集制備中為了提高地板式壓電陶瓷材料對能量收集的效率，不僅要對其壓電陶瓷的性能、結構的分析和優化進一步的了解，還需要對其能量收集的電路系統進行分析研究和實現，以便于達到更加優化的目的效果[5]。由于壓電陶瓷在外力作用下產生的振動上下，所以其產生的電壓也是存在正反的，所以產生的電壓就是正負的電壓，即為交流電壓。為了方便儲存需要利用合適的電路使其交流電整流成穩壓直流。其壓電陶瓷能量收集電路流程圖如圖2所示。

圖2 能量收集電流流程圖

在形狀上選用圓形作為地板式壓電裝置的原因有：圓形是中心對稱且在相同周長時其面積最大，受力均勻，在機械運動中，其磨損最小，阻力最小且不易破碎。對陶瓷材料需要進行鍍錫復銅，鍍錫是為了壓電陶瓷在極化時形成一個正電極，同時也可作為保護膜進而減少壓電陶瓷的氧化。對于壓電陶瓷材料復銅是為了使極化的壓電陶瓷材料形成負電極，同時也為了防止陶瓷片在形變時破碎。復銅而不復其他金屬是因為銅具有許多良好的性能，例如：導電性好、耐腐蝕好、更容易加工、柔韌性強、價錢相對較低，所以選著銅。

對于圓形陶瓷材料在沒有任何修改的情況下，在下壓板上給予壓力時不易形變，其未修改的圓形陶瓷片，在基于一個瞬間的外力的作用下的情況下，其產生形變而產生的電壓的最高值約0.24V。如表2所示。

表2 未修改的圓形陶瓷片產生的電壓

由表2可知，未修改的壓電陶瓷片在受一個力的作用時，電壓隨時間先從0V增加到最大值0.24V后再減少到0V，由表2可知在1.5s時形變最大，其電壓最高0.24V。

對于圓形陶瓷材料在其修改的情況下，在下壓板上給予壓力時不易形變，其修改的圓形陶瓷片，在基于一個瞬間的外力的作用下的情況下，其產生形變而產生的電壓的最高值約0.58V。其修改后的電壓產生情況如表3所示。

表3 修改后的圓形陶瓷產生的電壓

當修改的壓電陶瓷片在受一個力的作用時，電壓隨時間先從0V增加到最大值0.58V后再減少到0V，由表3可知在1.5S時形變最大，其電壓最高0.58V。

由表2和表3數據對比可知當使圓形壓電陶瓷片的形狀進行改變時，比修改前更加容易形變。其受到與未修改的圓形壓電陶瓷同樣的壓力時其形變不同產生的電壓不同。修改后的壓電陶瓷比修改前的壓電陶瓷產生的電壓更高，即在同樣大小的力的作用下其修改后的電壓約為0.58V比修改前的電壓0.24V高，所以修改其一定形狀有益于形變，同時也有利于能量的存儲。

6 結語

地板式壓電陶瓷能量收集裝置是通過收集壓電陶瓷振動轉換產生的電能的吸收，不僅可以應用地鐵口等人流量大地方，也可以為指示燈提供能量來源，不僅如此，也可以做成“壓電鞋墊”，也可以廣泛的應用于醫學、交通等領域。