【摘要】：近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子技術(shù)蓬勃發(fā)展,這使得壓電能量收集技術(shù)迅速成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中,關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)具有高能量密度的環(huán)境友好型壓電材料。在本研究中,針對(duì)能量收集器件對(duì)壓電陶瓷材料的性能要求,選擇高性能鈦酸鋇基無(wú)鉛壓電材料為研究對(duì)象,分別通過(guò)相界調(diào)控和摻雜改性兩種手段來(lái)提高鈦酸鋇基壓電陶瓷材料的能量收集性能,利用懸臂梁式能量收集器評(píng)估陶瓷的發(fā)電特性,并對(duì)陶瓷的微結(jié)構(gòu)、壓電性能和發(fā)電性能之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,從而獲得高功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率的振動(dòng)能量收集器。第一,為了構(gòu)建高功率密度的能量收集器,設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的(1 x)Ba(Zr_(0.1985)Cu_(0.0015)Ti_(0.8))O_(3-δ) x(Ba_(0.7)Ca_(0.3))TiO_3[BCTZC]陶瓷組成,通過(guò)組成驅(qū)動(dòng)相界演變優(yōu)化它的能量收集性能。結(jié)果表明,當(dāng)x=0.55時(shí),BCTZC陶瓷處于三方-正交-四方(R-O-T)多晶相界,陶瓷具有大的壓電活性,其能量收集性能:g_(33)=14.7×10~(-3) Vm/N,d_(33)×g_(33)=4257×10~(-15) m~2/N,η=0.95,DFOM=995。進(jìn)一步,通過(guò)懸臂梁結(jié)構(gòu)的能量收集器評(píng)估它們的發(fā)電性能。研究發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)的懸臂梁結(jié)構(gòu)能量收集器的共振頻率為90 Hz。在共振頻率下,當(dāng)振動(dòng)加速度為10 m/s~2時(shí),x=0.55的樣品獲得高達(dá)70μW的輸出功率和8V的電壓,進(jìn)一步增加加速度到50 m/s~2時(shí),輸出功率和電壓分別增加到700μW和25 V。優(yōu)異的低頻發(fā)電特性表明BCTZC材料在用于捕獲環(huán)境振動(dòng)能量的壓電發(fā)電機(jī)中具有重要的潛在的應(yīng)用前景。第二、為了進(jìn)一步研究能量收集器的能量轉(zhuǎn)化效率和工作穩(wěn)定性,我們制備了Ba_(0.9)Ca_(0.1)Ti_(0.93)Zr_(0.07)O_3無(wú)鉛壓電陶瓷,并通過(guò)引入Mn離子來(lái)改善BCTZ(Ba_(0.9)Ca_(0.1)Ti_(0.93)Zr_(0.07)O_3+x mol.%MnO_2,簡(jiǎn)寫(xiě)為BCTZ+x Mn)陶瓷的大功率特性。結(jié)果表明,當(dāng)x=0.1時(shí),BCTZ陶瓷處于R-O-T多晶相界,并且呈現(xiàn)出均勻致密的顯微結(jié)構(gòu),使得x=0.1樣品獲得了高的能量收集性能。通過(guò)懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)x=0.1樣品進(jìn)行了能量轉(zhuǎn)化效率的研究。結(jié)果顯示,在10 m/s~2的加速度下,x=0.1的能量收集器獲得了高達(dá)1.2μW/mm~3的功率密度和7%的能量轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),BCTZ能量收集器經(jīng)過(guò)10~6次振動(dòng)循環(huán)后仍具有出色而穩(wěn)定的發(fā)電性能,并且在不同加速度振動(dòng)環(huán)境下具有強(qiáng)的適應(yīng)性。該工作進(jìn)一步推動(dòng)了高效率無(wú)鉛能量收集器的開(kāi)發(fā),為無(wú)鉛壓電能量收集器的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【圖文】：

北京工業(yè)大學(xué)工程碩士專(zhuān)業(yè)學(xué)位論文械阻尼等因素而損失掉；2、有序的機(jī)械振動(dòng)通過(guò)壓電材料的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)定頻率的電能，在這個(gè)過(guò)程中由于壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，導(dǎo)致量損失；3、轉(zhuǎn)換得到的電能經(jīng)過(guò)整流和調(diào)制最終存儲(chǔ)在超級(jí)電容或可充內(nèi)，供微型傳感器工作，在這個(gè)過(guò)程中也有部分能量以焦耳熱的形式損失這 3 個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，都或多或少的存在能量的損失，，過(guò)程 1 和過(guò)程通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路的優(yōu)化加以解決，而過(guò)程 2 不僅涉及到器件結(jié)，而且還涉及到壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能問(wèn)題。

2 不同結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁[4]：(a) 單晶片懸臂梁；(b) 雙晶片懸臂梁；(c) 帶有叉電極的壓電懸臂梁；(d) 在自由端具有質(zhì)量塊的壓電懸臂梁1-2 Various configurations of piezoelectric cantilevers[4]: (a) unimorph; (b) bimorphoelectric cantilever with interdigitated electrodes; (d) apiezoelectric cantilever withmass at its freeend壓電能量收集器的研究現(xiàn)狀電能量收集器研究在日本及歐美等國(guó)家開(kāi)展比較早，而國(guó)內(nèi)對(duì)壓電研究起步較晚。近年來(lái)，人們通過(guò)設(shè)計(jì)多樣化的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)提高能電性能。996 年，英國(guó)科學(xué)家 Williams 等人提出使用壓電陶瓷將環(huán)境中的機(jī)能的方案。他們?cè)O(shè)計(jì)的壓電能量收集裝置在 70 Hz 的振動(dòng)頻率下能量�？茖W(xué)家 Williams 的研究表明壓電陶瓷材料可以作為機(jī)械能轉(zhuǎn)介[5]。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM282

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本文編號(hào)：2699747