(上图)gydF4y2Ba蜂鸟gydF4y2Ba都是利用振动来达到理想结果的缩影。能源研究人员正在寻找利用振动来发电的方法。信贷:gydF4y2Ba贝基松原gydF4y2Ba， Flickr (CC BY 2.0)gydF4y2Ba
有明确的证据表明大气中的二氧化碳在快速变化的气候中扮演着重要的角色gydF4y2Ba国家承诺gydF4y2Ba逐步淘汰燃煤电厂，转而使用可再生能源。即使是gydF4y2Ba七国集团(G7)最近宣布gydF4y2Ba它打算停止对煤炭的国际资助。gydF4y2Ba
然而，要实现从化石燃料转向能源的转变，全球能源转换和储存能力必须大幅增长。作为gydF4y2Ba最明显的例子是德克萨斯州gydF4y2Ba在美国，今年几个月来创纪录的寒冷和高温已经使现有的电力资源超出了极限，而这样的极端天气也在预料之中gydF4y2Ba变得越来越普遍gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
奥利弗GuillongydF4y2Ba来自亚琛工业大学和Forschungszentrum Jülich GmbH，最近发表了对该角色的观点gydF4y2Ba陶瓷材料将在扩大能源转换和存储基础设施中发挥作用gydF4y2Ba．他解释了陶瓷的机械和化学特性，以及它们的直接热-电或机械-电能量转换能力，如何使它们成为先进能源应用的优越材料。gydF4y2Ba
陶瓷材料的一个能源应用是压电能量收集(PEH)。PEH将机械运动，尤其是来自振动源的运动，直接转化为电力。PEH最有趣的应用之一是为传感器和通信提供小型离网电源，例如gydF4y2Ba偏远地区的管道监控gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
一种PEH元件由一种主动压电材料制成或以其他方式附着在柔性金属衬底上(通常是钢)，以圆盘“振动器”或矩形悬臂形式存在。电极连接到PEH组件上，将其连接到电气测试夹具和组件组件。下图显示悬臂安装在强制振动测试夹具。gydF4y2Ba
自然振动在有源压电材料中以一种周期性的方式产生应变，具有正的和负的电压和电流，如下图的a和B部分所示。虽然人们对利用压电采集技术产生交流电有一定的兴趣，但直流电(DC)设备电源更适用于远程传感器应用。直流PEH器件在概念上很简单，如D部分插页所示。gydF4y2Ba
PEH设备面临的最大挑战是gydF4y2Ba
- 减少或替代压电材料中的铅，同时实现与铅基材料类似的性能特性，或至少在这些应用的可接受范围内。gydF4y2Ba
- 以成本效益和可重复性的方式制造具有良好性能和寿命的支撑磁盘和悬臂组件。gydF4y2Ba
从我为本文阅读的文章中，我收集了以下PEH设备的关键性能度量列表。请随时给我发邮件gydF4y2Bajforeman@www.eurusdlive.comgydF4y2Ba用修正或添加来改进这个列表。gydF4y2Ba
- 压电系数(gydF4y2BadgydF4y2Ba)：gydF4y2Ba力与电荷的关系;就像模量在力学性质中将应力(力)与应变(运动)联系起来一样。gydF4y2Ba
- 相对介电常数(gydF4y2BaεgydF4y2Ba)：gydF4y2Ba相对于真空，电荷间电场减少或增加的因素;与电容/介电常数有关。gydF4y2Ba
- 介电损耗(常表示为gydF4y2BatanδgydF4y2Ba)：gydF4y2Ba一种能量“损失”(转化为热量)的量度，通常是通过介电材料内的电荷传导和影响偶极子排列和电荷运动的过程来实现的。gydF4y2Ba
- 耦合系数(gydF4y2BakgydF4y2Ba)：gydF4y2Ba机械能到电能转换的程度，通常通过共振评价来测量。gydF4y2Ba
- 价值数字(FOM):gydF4y2Ba压电系数与介电常数的比值，而有些论文还包括介电损耗。gydF4y2Ba
有许多额外的量用于比较不同的材料和制备的组件，如剩余极化和电致伸缩系数。然而，这些数量并不是在所有文章中普遍存在的，而且许多是支持和/或来自上述关键度量的。gydF4y2Ba
理想的PEH材料具有较高的压电系数和耦合系数，同时最小化介电常数和损耗。无论是好是坏，这些性能不仅取决于成分，还取决于晶体结构、晶粒尺寸和密度/孔隙度，以及其他性能，而这些性能又取决于加工条件。理想的组件优化了机械、物理和压电性能，但它必须在设计好的条件下制造具有良好附着力和形状的组件。耦合系数特别依赖于元件制造。gydF4y2Ba
最近几篇ACerS期刊上的论文讨论了开发PEH材料和工艺的挑战和研究。这些文章承担了以下一个或多个研究挑战:gydF4y2Ba
- 提高铅基材料的性能。gydF4y2Ba
- 提高无铅材料的性能。gydF4y2Ba
- 降低烧结温度。gydF4y2Ba
通过更小和更大的晶粒尺寸来改善压电性能gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba开放获取的纸gydF4y2Ba北京工业大学的研究人员研究了掺杂氧化钐的铅基PZN-PZT压电陶瓷，以提高压电响应和控制晶粒尺寸。gydF4y2Ba
所有样品均在1200℃下烧结。他们发现，随着添加更多的钐，晶粒尺寸从2.5微米下降到1.5微米，其中0.7%添加了氧化钐。当钐添加量为0.4%时，压电系数增大，与普遍认为晶粒越大压电性能越好的趋势相反。gydF4y2Ba
作者发现了类似的介电常数和极化趋势，他们将0.4%钐的高性能归因于掺杂结构中更小的铁电畴和钐取代铅。gydF4y2Ba
开放存取的论文，发表在gydF4y2Ba国际陶瓷工程与科学杂志gydF4y2Ba,是“gydF4y2Ba用钐掺杂策略提高细晶压电陶瓷的能量收集性能gydF4y2Ba”(DOI: 10.1002 / ces2.10088)。gydF4y2Ba
与上述研究相反，agydF4y2Ba纸gydF4y2Ba捷克布尔诺理工大学的研究人员在探索钡钙锆钛氧化物的成分变化时发现了相反的趋势，钡钙锆钛氧化物是无铅压电材料。gydF4y2Ba
晶粒尺寸从15微米增加到90微米，压电系数在成分测试范围的中间达到峰值。重要的是，他们发现随着钙含量的增加，晶体结构从菱形到正交，再到四方。gydF4y2Ba
他们非常彻底的评价讨论了测量量之间的许多相互关系，其中一些与铅基压电材料比较，相当有利。然而，这些陶瓷都是在1500℃的温度下烧制的，这对于组件制造来说太热了。gydF4y2Ba
论文，发表于gydF4y2Ba美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网gydF4y2Ba,是“gydF4y2Ba组成驱动(Ba, Ca)(锆、钛)OgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba无铅陶瓷具有高品质因数和能量收集特性gydF4y2Ba”(DOI: 10.1111 / jace.17497)gydF4y2Ba
研究了涂层厚度对压电性能的影响gydF4y2Ba
在一个gydF4y2Ba纸gydF4y2Ba来自法国和加拿大的研究人员将锆钛酸铅与锂、铋和铜(LBC)氧化物混合制成了厚圆盘。他们还在不锈钢悬臂支架和独立薄膜(通过打印到聚合物薄膜上)上丝网印刷了与涂层相同的材料。gydF4y2Ba
“LBC”助烧剂使PZT与电极在900℃下共烧，大大降低了温度gydF4y2Ba典型的烧成温度为1200℃或更高gydF4y2Ba．这个结果对于铅基材料特别有用，因为铅在800°C左右开始蒸发。而厚圆盘密度接近理论，晶粒尺寸在3微米左右，打印的PZT具有14-20%的孔隙率和更宽的晶粒尺寸分布。gydF4y2Ba
人们普遍认为，收集能量需要更厚的压电材料，尽管作者发现，厚度过大可能是件好事。由于热失配，涂层厚度大于55微米的悬臂梁曲率过大，无法发挥作用。gydF4y2Ba
悬臂和独立薄膜的介电常数约为厚圆盘的一半，可以提高能量收集能力。然而，这一好处被比厚磁盘大10倍的介电损耗值抵消了。作者将这些变化归因于印刷PZT的更大孔隙率。gydF4y2Ba
最后，悬臂梁的耦合系数约为无支撑圆盘和薄膜的一半，作者认为这是由钢支撑。gydF4y2Ba
论文，发表于gydF4y2Ba国际应用陶瓷技术杂志gydF4y2Ba,是“gydF4y2Ba开发具有丝网印刷PZT的非晶不锈钢悬臂梁的关键特点，用于能量收集应用gydF4y2Ba”(DOI: 10.1111 / ijac.13588)。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba开放获取的纸gydF4y2Ba来自德国科隆大学(University of Cologne)和法国格勒诺布尔理工学院(Grenoble Institute of Technology)的研究人员联合起来，使用无铅钛酸锂制造低成本的部件。gydF4y2Ba
采用溶胶-凝胶和旋涂技术，在悬臂钢上制备了涂层，并对涂层的性能与厚度进行了比较。研究人员在650°C的终烧成温度下，制备出均匀且晶粒较小的薄膜。薄膜有轻微的裂纹，但未观察到分层。gydF4y2Ba
研究结果让我有些惊讶，相对介电常数随厚度的增加而增加，压电系数保持相对稳定。结果，功绩的数字随着厚度的增加而减少。gydF4y2Ba
虽然高FOM通常更有利于能量收集，但涂层最厚的悬臂梁(最高)gydF4y2BaεgydF4y2Ba)产生最高的电压、电流密度和功率密度。同时，作者观察到泄漏电流随着厚度的增加而降低数量级。gydF4y2Ba
作者的结论是，他们的材料和方法显示了大规模制造无铅压电能量收集装置的前景。gydF4y2Ba
开放存取的论文，发表在gydF4y2Ba美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网gydF4y2Ba,是“gydF4y2Ba压电系数与薄膜厚度的相互关系gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba悬臂梁gydF4y2Ba”(DOI: 10.1111 / jace.17606)。gydF4y2Ba