基于压电陶瓷材料的能量收集系统

李明春，陈贺，闫海路，凌玲，朱莹莹，王嘉龙，安利鸽

（黄河科技学院，河南 郑州 450063）

0 引言

当前，科技发展水平正快速进步，随着未来人们对能源的大量需求，新能源也快速的向清洁化、循环化、高效化等方面发展。电是我们现在日常生活中必不可少的部分，常见的发电形式有火力发电、水力发电、核电、太阳能发电、风力发电，这些常见的发电形式中只有风力发电、太阳能发电都是新兴发电形式，虽然容量较小，但它是清洁能源。由发电形式的不断变化可以看出清洁能源的重要。在生活中许多不起眼的能量就可以收集起来转化成电能给一些需电量少的物品供电，如何收集能量，怎样转化成电能就是需要解决的核心问题。

1 压电陶瓷简介及物理机制

压电陶瓷材料是一种同时能够将介质机械力和能量的转换转化为其他电能的陶瓷材料,压电陶瓷除了能具有好的压电性,同时还可以具有介质的电性、弹性等诸多特点。压电陶瓷材料在这种外力作用下,引起内部正负两端电荷轴向中心相对方向位移而间接发生电荷极化,从而直接导致陶瓷材料内部两端电荷表面之间出现正负相反的束缚电荷及其形成也称压电陶瓷效应[1-2]。

在这种无来源电极化的这种工作条件下的情况中在下压电片的电极片和陶瓷片的束缚电极两端就有可能会同时连接出现束缚电荷,所以在这个束缚电极片的表面上就可能会同时吸附了一层大量的来自这个电极片和外界的自由电荷。当利用电机振动给一个小型陶瓷片的施加一个大的轴向外界压力时,陶瓷片的两端经过放电后就会同时振动出现一种具有放电性的振动现象。这种将低压电机械化学离子辐射效应转变成为超高压无机电离子辐射效应的机械化学离子现象则也可能属于正常的超高压电机械化学离子效应[3]。此外,压力发电机和陶瓷也分别兼备具有这种自发性和电磁极化的重要物理特点,而这种自发性的电磁极化也可以使其结构可以在各种不同外力的相互作用下迅速性地发生物理化学性的转变。因此,在这种特殊外力作用下,压电后的白色陶瓷砖就可能会容易受热发生严重的热变形。然而,压电极化不是陶瓷材料壳体振动变形的主要形成原因,是因为此时当壳体内部加上与自发式高压交流电极化相同的其他各种外力作用时,在一定的很或较大程度上已经大大增强了自发压电极化时的振动强度。在一定的程度上增强了极化强度。极化元件强度的不断增加可以使的超高压力导电活性陶瓷片沿着高极化强度方向不断延长。相反,如果导体加大了反向面的电场,则导体陶瓷片沿着电极化面的方向可以缩短[4]。

2 压电陶瓷制备流程介绍

工艺流程如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。

（1）配料：配料阶段要注意去除物料中的杂质以及水分，按照事先计算好的配方用精准称量仪器进行称取，量比较小的物质要放在量比较大的物质中间，以保证充分混合。（2）混合磨细：将称取好的物质充分混合均匀，磨细，为下一步的预烧做好准备，小批量采取干磨，大批量可以使用锆球进行研磨。（3）预烧：在高温的条件下，原料进行固相反应初步合成压电陶瓷，温度条件，研磨条件等对初步的固相反应影响较大。（4）二次细磨：将初步的压电陶瓷再次研磨，使原材料混合更加充分，保证最终材料的均匀性。（5）造粒：加入粘合剂使粉料形成高密度流动性好的颗粒物质，注意粘合剂的量。（6）成型：将形成的颗粒物质按照预先要求好的尺寸进行压结，初步成型。（7）排塑：将制粒时加入的粘合剂从初步成型的毛胚中除掉。（8）烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷，注意温度的控制。（9）外形加工：将制好的半成品进行细加工从而达到满足要求的规格。（10）被电极：在做好的陶瓷表面复铜镀锡使其形成正负电极。（11）性能测试：当陶瓷片性能达到稳定时进行指标检测。

3 材料选取

压电陶瓷是常见的能量收集材料，为了能使得地板式压电陶瓷发电装置能够更好的产生电能，在选材时，使得较大的应力形变，并且有较高的压电常数和机电耦合系数[3]，且介电常数较小，以便于高效的进行能量收集。因此选用了PZT-5材料作为能量收集的陶瓷，PZT-5具有发电的各个不同优点，其PTZ-5性能参数如表1所示。

表1 PTZ-5性能参数

4 地板式压电振动能量收集结构设计

地板式压电陶瓷发电装置主要有以下结构：下压板、上压板，压垫、圆形压电陶瓷片等部分组成结构，如图1所示。

图1 地板式压电陶瓷发电装置

如图1中所示，1是压垫、2是上压板、3是下压板、4是圆形压电陶瓷片。其工作的原理是：当其使2上压板压在1压垫上，并压在3下压板上。利用外力即当行人踏在2上压板时，给2上压板一个压力，通过2上压板和3下压板的挤压，使得4上的圆形压电陶瓷片达到形变的效果，从而产生微弱能量[4]，而这个微弱的能量恰好可以通过能量收集装置进行存储，从而达到能量储存的预期效果。

地板式压电陶瓷发电装置的特色：系统结构相对简易、制作简单、价格便宜，且充分利用了振动能这种新能源。但对于使用圆形压电陶瓷材料的过程中，在其形变时产生的电压最高可达到3V左右 ，而电流只有0.01mA左右。为解决电流较小的问题，综合考虑使用多个圆形陶瓷片进行并联从而到达增大电流。

5 电路的能量收集流程及效果

在能量收集制备中为了提高地板式压电陶瓷材料对能量收集的效率，不仅要对其压电陶瓷的性能、结构的分析和优化进一步的了解，还需要对其能量收集的电路系统进行分析研究和实现，以便于达到更加优化的目的效果[5]。由于压电陶瓷在外力作用下产生的振动上下，所以其产生的电压也是存在正反的，所以产生的电压就是正负的电压，即为交流电压。为了方便储存需要利用合适的电路使其交流电整流成稳压直流。其压电陶瓷能量收集电路流程图如图2所示。

图2 能量收集电流流程图

在形状上选用圆形作为地板式压电装置的原因有：圆形是中心对称且在相同周长时其面积最大，受力均匀，在机械运动中，其磨损最小，阻力最小且不易破碎。对陶瓷材料需要进行镀锡复铜，镀锡是为了压电陶瓷在极化时形成一个正电极，同时也可作为保护膜进而减少压电陶瓷的氧化。对于压电陶瓷材料复铜是为了使极化的压电陶瓷材料形成负电极，同时也为了防止陶瓷片在形变时破碎。复铜而不复其他金属是因为铜具有许多良好的性能，例如：导电性好、耐腐蚀好、更容易加工、柔韧性强、价钱相对较低，所以选着铜。

对于圆形陶瓷材料在没有任何修改的情况下，在下压板上给予压力时不易形变，其未修改的圆形陶瓷片，在基于一个瞬间的外力的作用下的情况下，其产生形变而产生的电压的最高值约0.24V。如表2所示。

表2 未修改的圆形陶瓷片产生的电压

由表2可知，未修改的压电陶瓷片在受一个力的作用时，电压随时间先从0V增加到最大值0.24V后再减少到0V，由表2可知在1.5s时形变最大，其电压最高0.24V。

对于圆形陶瓷材料在其修改的情况下，在下压板上给予压力时不易形变，其修改的圆形陶瓷片，在基于一个瞬间的外力的作用下的情况下，其产生形变而产生的电压的最高值约0.58V。其修改后的电压产生情况如表3所示。

表3 修改后的圆形陶瓷产生的电压

当修改的压电陶瓷片在受一个力的作用时，电压随时间先从0V增加到最大值0.58V后再减少到0V，由表3可知在1.5S时形变最大，其电压最高0.58V。

由表2和表3数据对比可知当使圆形压电陶瓷片的形状进行改变时，比修改前更加容易形变。其受到与未修改的圆形压电陶瓷同样的压力时其形变不同产生的电压不同。修改后的压电陶瓷比修改前的压电陶瓷产生的电压更高，即在同样大小的力的作用下其修改后的电压约为0.58V比修改前的电压0.24V高，所以修改其一定形状有益于形变，同时也有利于能量的存储。

6 结语

地板式压电陶瓷能量收集装置是通过收集压电陶瓷振动转换产生的电能的吸收，不仅可以应用地铁口等人流量大地方，也可以为指示灯提供能量来源，不仅如此，也可以做成“压电鞋垫”，也可以广泛的应用于医学、交通等领域。