美國(guó)科學(xué)家研發(fā)耐高溫的新型壓電復(fù)合材料

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，壓電材料在傳感器、執(zhí)行器和能量收集器方面擁有巨大的應(yīng)用前景，但通常在高溫條件下性能會(huì)變得很差，限制了其在發(fā)動(dòng)機(jī)、太空探索等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。然而，賓夕法尼亞州立大學(xué)(Penn State)和QorTek公司的聯(lián)合研究小組近期開(kāi)發(fā)的一種新型壓電器件在高溫下仍然表現(xiàn)良好。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所(MRI)的負(fù)責(zé)人Clive Randall與來(lái)自QorTek公司的研究人員合作開(kāi)發(fā)了這種壓電材料和器件，QorTek公司專門從事智能材料器件和高密度電力電子研發(fā)工作。

“美國(guó)宇航局(NASA)需要解決的問(wèn)題是如何在電池難以更換的偏遠(yuǎn)地區(qū)為電子設(shè)備供電?！盋live Randall說(shuō)，“他們還需要自供電傳感器，以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。由于這些器件需要在火箭發(fā)射和其他高溫情況下工作，因此傳統(tǒng)的壓電器件通常會(huì)因?yàn)楦邷囟??！?/p>

壓電材料在振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于機(jī)械力(例如來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī))的作用會(huì)壓縮或拉伸，從而產(chǎn)生電荷。因此，它可以用作測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)變或加速度變化的傳感器。壓電材料也可以制作成能量收集器，為橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器、智能手環(huán)等個(gè)人電子設(shè)備提供電能。

上述研究小組將新材料制作成壓電雙晶片(bimorph)，并應(yīng)用于壓電能量收集器。壓電雙晶片具有兩個(gè)壓電層，其形狀和組裝方式可以最大限度地提高能量收集效率。傳感器或能量采集器在工作時(shí)會(huì)造成壓電雙晶片結(jié)構(gòu)的彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào)以用于測(cè)量或充當(dāng)電源。

不幸的是，上述功能在高溫環(huán)境下工作效率較低。目前最先進(jìn)的壓電能量收集器的最大有效工作溫度范圍通常限制在176華氏度(80攝氏度)到248華氏度(120攝氏度)。

“壓電材料的一個(gè)基本問(wèn)題是，當(dāng)溫度超過(guò)120攝氏度時(shí)，其性能開(kāi)始顯著下降，到200攝氏度以上時(shí)，其性能幾乎完全喪失?！盦orTek公司首席技術(shù)官Gareth Knowles說(shuō)道，“我們的研究為美國(guó)宇航局提供了一種可行的解決方案?！?/p>

研究小組開(kāi)發(fā)的新型壓電材料在高達(dá)250攝氏度的溫度環(huán)境下表現(xiàn)出近乎恒定的有效性能。此外，研究人員在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》(Journal of Applied Physics)上介紹說(shuō)，雖然在高于250攝氏度的溫度下，這種材料的性能會(huì)逐漸下降，但在高于300攝氏度的溫度下，作為能量收集器或傳感器仍然有效。

Gareth Knowles繼續(xù)說(shuō)：“這種新型復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的性能與在室溫下一樣好，這還是第一次!因?yàn)閺膩?lái)沒(méi)有人能夠研發(fā)出在如此高溫下有效工作的壓電材料?！?/p>

將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的壓電能量收集器示意圖

這種材料的另一個(gè)好處是大幅提升了能量收集器的發(fā)電能力。Clive Randall稱，雖然目前壓電能量收集器還沒(méi)有達(dá)到太陽(yáng)能電池的發(fā)電水平，但這種新型材料的性能足以為其他應(yīng)用打開(kāi)可能性。

Clive Randall說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)電能力令人印象深刻，表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的性能效率。這將有可能在黑暗或隱蔽的環(huán)境中(例如在汽車系統(tǒng)內(nèi)，甚至人體內(nèi))實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無(wú)電池供電?！?/p>

Clive Randall和Gareth Knowles都指出，賓夕法尼亞州立大學(xué)和QorTek公司之間的合作關(guān)系可以追溯到20多年前，通過(guò)互補(bǔ)彼此的資源，開(kāi)發(fā)出新型/改進(jìn)的壓電材料。

Gareth Knowles表示：“總體上，這種合作關(guān)系的一大好處是，你可以利用賓夕法尼亞州立大學(xué)在該領(lǐng)域擁有的巨大知識(shí)庫(kù)，而像我們這樣的小公司有時(shí)則沒(méi)有。另一個(gè)好處是，大學(xué)通常擁有一些物理資源，比如重要的工藝設(shè)備，而這些資源在一家小公司里通常是找不到的?！?/p>

Clive Randall指出，由于QorTek公司有許多員工都是賓夕法尼亞州立大學(xué)的校友，因此他們對(duì)研究主題和相關(guān)人員都很熟悉。

Clive Randall繼續(xù)說(shuō)：“我的一位博士后研究員、論文第一作者Wei-Ting Chen被QorTek公司聘用，因此在這種情況下可以轉(zhuǎn)移專業(yè)知識(shí)。此外，QorTek公司提供的技能，例如機(jī)械工程、器件設(shè)計(jì)和測(cè)量專業(yè)知識(shí)，推動(dòng)了研發(fā)速度(遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于我們的預(yù)期)。因此，這種伙伴關(guān)系使該項(xiàng)目得到了真正卓有成效的擴(kuò)展。”

美國(guó)宇航局的小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助了這項(xiàng)研究工作。