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北大工学院董蜀湘课题组在驰豫压电体振动能量回收领域取得重要进展

2018-05-30

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基于压电或摩擦发电效应的振动能量回收是目前纳米发电领域的一个研究热点。虽然基于压电或摩擦机理产生的电压很高,但电流输出一般很低,通常仅在微安(μA)甚至纳安(nA)量级。最近,北大工学院材料科学与工程系董蜀湘">董蜀湘课题组发现一种低价的锆钛酸铅(PZT)基驰豫压电陶瓷拥有最高的压电应力电荷常数(e33),同时拥有高的有效压电系数(d33*)和较低的机械谐振阻抗。利用该压电体进行振动能量回收应用,发现在谐振动引起的振动惯性力(~0.29N)的作用下,该压电体产生的最大输出电流为2.5毫安,最大输出功率为14毫瓦。该成果在线发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, IF=12.12),题目为“Giant Piezoelectric Coefficients in Relaxor Piezoelectric Ceramic PNN‐PZT for Vibration Energy Harvesting”。文章链接为:https://doi.org/10.1002/adfm.201706895。

众所周知,传统PZT基压电陶瓷因为其多晶结构其压电性能不及压电单晶。董蜀湘">董蜀湘课题组通过固相法制备了一种铌镍酸铅-锆钛酸铅(PNN-PZT)弛豫陶瓷,通过对材料的各种系数表征,发现其压电应力电荷常数(e33)高达39 C/m2,在已知的铁电陶瓷、铁电单晶、以及已知的其它压电材料中属于最高值:即在施加相同应变或应力条件下PNN-PZT弛豫陶瓷感应的电荷最多。实验表明,利用相同尺寸的弛豫陶瓷制备的钹式能量回收器,同昂贵的铌镁酸铅-锆钛酸铅(PMN-PT)压电单晶体能量回收器相比,在施加3.5 g加速度(~0.29 N)和谐振动条件下,弛豫陶瓷产生的振动能量回收功率最大值(14.0 mW)和PMN-PT单晶相当,但最大输出电流是PMN-PT单晶的4倍。这个实验证实了低价的PNN-PZT弛豫陶瓷在微能量回收领域,诸如自供能、自感应网络,具有巨大潜在应用价值。此外,实验还发现该弛豫压电陶瓷的有效压电系数(d33*)也高达1753 pm/V,与昂贵的商业压电单晶材料PMN-PT相当,表明该材料在精密驱动领域也有重要应用前景。


能量回收器样品与性能测试图:(a)测试装置搭建与样品;(b)能量回收器结构示意图与尺寸;(c)振动条件下位移有限元模拟结果;在3.5 g加速度、不同负载阻抗条件下,能量回收输出功率(d)和电流(e)。

董蜀湘">董蜀湘课题组长期以来一直致力于压电材料、磁电材料、器件设计和应用方面的研究。在压电微马达、驱动器、传感器、微能量回收等方面的研究在国际上获得了广泛认可。在国际重要刊物诸如Advanced Materials,Advanced Functional Materials,Applied Physics Letters上发表SCI文章150篇; SCI引用次数6400余次;拥有30余项授权中国、美国发明专利。2014-2017连续4年被Elsevier 评选为中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)——入选者被认为是来自中国社会科学、物理、化学、数学、经济等38学科最具世界影响力的中国学者之一。


该成果第一编辑是工学院材料系14级博士生高翔宇。研究获得了国家自然科学基金委(51772005,51132001)和磁电功能材料与器件北京市重点实验室的资助。

 

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