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1、隨著科技的發(fā)展,各種便攜式發(fā)電裝置的研究成為新的研究熱點(diǎn),其目的是在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域代替電池或?yàn)殡姵爻潆?。利用每一種發(fā)電原理構(gòu)造的發(fā)電裝置都有其自身的特點(diǎn)和使用領(lǐng)域,其中壓電轉(zhuǎn)換因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電磁干擾、易于加工制作和易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化而適用于制作各種換能器。然而,目前存在的問題是:現(xiàn)在的壓電換能器基本都基于鋯鈦酸鉛(Pb(Zr1-xTix)O3,PZT)壓電材料,而PZT在制備及廢棄的過程中對(duì)環(huán)境和人體都有很大傷害,因此亟需
2、開發(fā)出性能優(yōu)異的無鉛壓電陶瓷以制備能量收集器;對(duì)器件的理論分析不具有普適性,需要開發(fā)出有效的理論模型對(duì)器件進(jìn)行直接有效的分析;器件的輸出電壓和功率密度較小,器件需得到進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。針對(duì)上述問題,本文從壓電材料的類型、器件結(jié)構(gòu)、振動(dòng)模式進(jìn)行分析,提出了壓電振動(dòng)能量收集器的研究?jī)?nèi)容。
固相反應(yīng)法制備(Ba0.95Ca0.05)(Ti0.90 Sn0.10)O3+xmolCuO(簡(jiǎn)稱BCT-BST-xCu)無鉛壓電陶瓷。探討了制
3、備工藝中燒結(jié)溫度和氧化銅含量對(duì)BCT-BST-xCu陶瓷的物相結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電和介電等性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)燒結(jié)溫度為1350℃、氧化銅摻雜量為2%mol時(shí),其壓電常數(shù)d33達(dá)576pC/N,介電常數(shù)ε可以達(dá)到25000,剩余極化強(qiáng)度Pr、矯頑場(chǎng)Ec分別為9.63μC/cm2、0.7kV/cm。
分析能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)果表明與其他結(jié)構(gòu)換能器相比,雙晶串聯(lián)的懸臂梁式輸出電壓高,易于調(diào)節(jié)器件的共振頻率,且適合于低頻振動(dòng)
4、的環(huán)境中。在結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上建立能量收集器的模型,利用集中質(zhì)量參數(shù)法對(duì)懸臂梁式能量收集器進(jìn)行理論分析,研究了無鉛壓電陶瓷片厚度、末端質(zhì)量塊質(zhì)量、共振頻率、外加負(fù)載以及加速度對(duì)壓電換能器輸出電壓和功率密度的影響規(guī)律。
根據(jù)上述理論研究,本文建立了能量收集測(cè)試系統(tǒng)。研究結(jié)果表明,懸臂梁式能量收集器的共振頻率可由末端質(zhì)量塊進(jìn)行調(diào)節(jié),具有一定厚度的陶瓷片,在共振頻率處,當(dāng)負(fù)載阻抗與陶瓷片內(nèi)阻相匹配時(shí)其輸出功率密度達(dá)到2.83mw/cm3
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