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新型压电材料对高温仍然MIZD-049有效

物理学 2021-09-19 16:38:00

宾夕法尼亚州立大学 将机械振动转化为电能的压电能量采集器示意图

荣誉:伊丽莎白·弗洛雷斯-戈麦斯·默里,宾夕法尼亚州立大学 压电材料作为传感器和能量收集器大有可为,但通常在高温下效率较低,限制了其在发动机或太空探索等环境中的应用

然而,宾夕法尼亚州立大学和库尔特克大学的一组研究人员开发的一种新的压电装置在高温下仍然非常有效

宾夕法尼亚州立大学材料研究所(MRI)主任克莱夫·兰德尔(Clive Randall)与库特克(QorTek)的研究人员合作开发了这种材料和设备,库特克是一家位于宾夕法尼亚州的州立大学,专门从事智能材料设备和高密度电力电子设备的公司

兰德尔说:“美国宇航局需要的是如何给偏远地区的电子设备供电,因为那里的电池很难更换。”

“他们还想要能够自我供电的传感器,用来监控发动机稳定性等系统,并让这些设备在火箭发射和其他高温情况下工作,在这些情况下,目前的压电元件会因受热而失效

" 压电材料在振动或运动过程中被机械力快速压缩时会产生电荷,例如来自机器或发动机的电荷

这可以作为传感器来测量压力、温度、应变或加速度的变化

压电有可能为一系列设备提供动力,从个人电子产品如腕带设备到桥式稳定性传感器

该团队将这种材料集成到一种称为双压电晶片的压电能量采集器技术中,使该设备既可以作为传感器、能量采集器,也可以作为执行器

双压电晶片具有两个压电层,这两个压电层被成形和组装以最大化有效的能量收集

当弯曲双压电晶片结构时,传感器和能量采集器产生用于测量的电信号,或者充当电源

不幸的是,这些功能在高温环境下工作效率较低

目前最先进的压电能量采集器通常被限制在176华氏度(80摄氏度)至248华氏度(120摄氏度)的最大有效工作温度范围内

“压电材料的一个基本问题是,在温度高于120摄氏度时,它们的性能开始大幅下降,到了200摄氏度(392华氏度)以上,它们的性能就可以忽略不计了,”QorTek的首席技术官加雷斯·诺尔斯(Gareth Knowles)说

“我们的研究为美国宇航局展示了一个可能的解决方案

" 研究人员开发的新型压电材料组合物在高达482华氏度(250摄氏度)的温度下表现出近乎恒定的高效性能

此外,尽管在482华氏度(250摄氏度)以上性能逐渐下降,但研究人员在《应用物理学杂志》上报告说,这种材料在远高于572华氏度的温度下仍能有效地用作能量采集器或传感器

诺尔斯说:“这种组合物在这些高温下的表现和在室温下一样好,这是第一次,因为从来没有人能够在如此高的温度下有效地工作。”

这种材料的另一个好处是出乎意料的高发电量

兰德尔说,虽然目前压电能量采集器还没有达到太阳能电池等更高效的发电设备的水平,但这种新材料的性能足以为其他应用开辟可能性

兰德尔说:“这种材料的能量生产部分给人留下了深刻的印象,它表现出了创纪录的压电能量采集器的性能效率。”

“这将有可能在黑暗或隐蔽的环境中实现连续的无电池供电,例如在汽车系统甚至人体内

" 兰德尔和诺尔斯都指出,宾夕法尼亚州立大学和库尔特克之间的合作可以追溯到20多年前,通过互补资源,使新的、改进的压电材料的开发成为可能

诺尔斯说:“总的来说,像这样的合作伙伴关系的一大好处是,你可以利用核磁共振成像和宾夕法尼亚州立大学在该领域拥有的大量知识,而像我们这样的小公司有时没有。”

“另一个好处是,大学通常拥有物理资源,比如设备,而这在小公司内部通常是找不到的

" 兰德尔指出,由于库尔特克有许多宾夕法尼亚州立大学的校友,所以对研究课题和相关人员都很熟悉

兰德尔说:“我的一位博士后研究人员,也是这篇论文的第一作者,陈伟霆被库尔特雇佣,所以在这件事上有专门知识的转移。”

“此外,QorTek提供的技能组合,如机械工程、设备设计和测量专业知识,推动开发的速度比我们获得的预算快得多

因此,这种伙伴关系使这个项目得到了卓有成效的扩大

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