面向電力設(shè)備檢測(cè)與診斷的壓電材料及器件

劉奎山

摘要：電力行業(yè)是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，在信息化時(shí)代，各行各業(yè)對(duì)電力的依賴都在增加，這對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)供電的可靠性、安全性提出了更高的要求。當(dāng)前，推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)是中國(guó)智能電力建設(shè)的重心之一。相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)是建立在電力系統(tǒng)上的信息架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體系，它將先進(jìn)傳感技術(shù)、信息通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和能源電力技術(shù)相結(jié)合，并與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成從而形成新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。先進(jìn)傳感技術(shù)有助于快速準(zhǔn)確地獲取信息并保障后續(xù)控制策略的及時(shí)執(zhí)行，對(duì)于電網(wǎng)故障的檢測(cè)和潛在安全隱患的排查是不可或缺的。智能電網(wǎng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正向著小型化、低能耗的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng);壓電材料;復(fù)合材料;壓電傳感器;能量采集器;智能電網(wǎng)

引言

隨著電子通信與無線傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的低功耗電子器件不斷涌現(xiàn)，隨之而來的是這些微型器件的供電問題。傳統(tǒng)的化學(xué)電池因其污染嚴(yán)重、使用壽命短等固有缺陷逐漸被淘汰，取而代之的是新型能量收集裝置，這些裝置通過收集環(huán)境中存在的各種能量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來維持電子設(shè)備的正常工作。隨著5G時(shí)代的到來，通信基站林立，環(huán)境中的頻譜資源也日益豐富，作為射頻能量載體的天線異軍突起。而這其中，以其他能量收集載體作為制作材料的天線由于可同時(shí)收集多種能量對(duì)抗環(huán)境多樣性，從而獲得更高更穩(wěn)定的輸出效率成為研究的熱點(diǎn)。

1有機(jī)壓電材料

有機(jī)壓電材料主要是各種壓電聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物為代表。PVDF是一種結(jié)晶性聚合物，PVDF內(nèi)可能含有α、β、γ和δ4種晶型，其中β晶型極性最大，且具有壓電性和鐵電性。相較于無機(jī)壓電陶瓷，PVDF的優(yōu)勢(shì)在于其低密度、低聲學(xué)阻抗，以及陶瓷材料無可比擬的柔性。目前，壓電PVDF在聲頻轉(zhuǎn)換器、壓力傳感器、水下聲吶等領(lǐng)域有諸多應(yīng)用?；赑VDF還研制出了其他鐵電共聚物，例如偏氟乙烯和三氟乙烯（TrFE）的二元共聚物P（VDF-TrFE）和偏氟乙烯、三氟乙烯、氟氯乙烯的三元共聚物P（VDF-TrFE-CFE）等。有機(jī)壓電材料的應(yīng)用主要受限于其低的壓電系數(shù)。由于壓電材料在實(shí)際使用過程當(dāng)中需承受循環(huán)電場(chǎng)的加載，或者外部環(huán)境施加的周期性振動(dòng)、彎曲等，這會(huì)導(dǎo)致壓電材料發(fā)生疲勞現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為壓電性能隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)規(guī)律地下降，在大電壓、大應(yīng)變的工作環(huán)境中甚至導(dǎo)致裂紋和斷裂，導(dǎo)致壓電元件完全失效。因此希望在壓電懸臂梁、壓電換能晶片中所使用的壓電材料需盡可能地具有較高的抗壓和抗拉強(qiáng)度，以滿足長(zhǎng)時(shí)間和惡劣環(huán)境中服役的要求。

2壓電材料在可調(diào)彈性波超構(gòu)材料中的應(yīng)用

在眾多智能材料中，壓電材料毫無疑問是研究最充分、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的智能材料。無論是厚重堅(jiān)硬的壓電陶瓷或合金、還是輕質(zhì)柔軟的聚合物，無論是導(dǎo)體還是半導(dǎo)體，無論體積大小，無論低頻還是高頻，都能找到壓電材料的蹤影或應(yīng)用。常見的壓電材料可分為壓電晶體（如石英晶體）、壓電陶瓷（如鋯鈦酸鉛PZT）以及壓電聚合物（如聚偏氟乙烯PVDF）三大類，三類壓電材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同領(lǐng)域都有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。壓電材料最顯著的特點(diǎn)是存在力電耦合效應(yīng)：在機(jī)械荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)表面電荷并在體內(nèi)形成電場(chǎng)（正壓電效應(yīng)），也可以在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形（逆壓電效應(yīng)）。這一力電耦合特性賦予了壓電材料在電能和機(jī)械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力，從而在換能器、傳感器和激勵(lì)器等應(yīng)用中大顯身手。與其他智能材料相比，壓電材料具有響應(yīng)速度快、控制精度高、體積小、市場(chǎng)大、價(jià)格便宜等突出優(yōu)點(diǎn)。為了充分利用壓電材料的性能，還需要開發(fā)對(duì)力學(xué)信號(hào)快速且精確處理的設(shè)備;設(shè)計(jì)更優(yōu)異的外接控制電路（穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)精確且范圍大，體積小，能耗低等）;在更一般形式的壓電超構(gòu)材料中充分利用壓電材料所固有的正/逆壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)反饋控制。將為高性能智能超構(gòu)材料及可調(diào)聲波器件的研制提供更經(jīng)濟(jì)、更優(yōu)化、更多樣、更主動(dòng)的方案選擇。需要指出的是，在壓電超構(gòu)材料中可能存在各種各樣的材料界面，可能會(huì)導(dǎo)致常規(guī)數(shù)值方法的失效，因此在壓電超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中也要重視高效、穩(wěn)定和精確的數(shù)值計(jì)算方法的研究。

3基于壓電材料的聲波檢測(cè)系統(tǒng)

電力設(shè)備在正常運(yùn)行過程中可能長(zhǎng)期受電磁場(chǎng)、發(fā)熱、機(jī)械力和外在惡劣環(huán)境等因素的影響，絕緣材料會(huì)發(fā)生劣化，可能產(chǎn)生局部放電（簡(jiǎn)稱局放）的物理現(xiàn)象。局放會(huì)造成介質(zhì)局部的破壞。如果介質(zhì)長(zhǎng)期存在局放，會(huì)加速絕緣劣化，并最終導(dǎo)致介質(zhì)擊穿和沿面閃絡(luò)。局放所導(dǎo)致的絕緣故障在所有電力設(shè)備的故障中占到了非常大的比例。目前，主要的局放檢測(cè)方法有脈沖電流法、介質(zhì)損耗法、氣相色譜法、紅外光譜法和超聲檢測(cè)法等。相較于脈沖電流法等檢測(cè)電學(xué)物理量的方法，超聲檢測(cè)法具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下局放檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

4新型能量收集電路的設(shè)計(jì)。

能量收集電路就是將壓電能量采集裝置或者納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流、AC-DC變換并給外部負(fù)載供電，如各種傳感設(shè)備。前文所提到的標(biāo)準(zhǔn)整流電路應(yīng)用較多，但電路本身的消耗較大，由于在壓電能量采集器中，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量和功率通常都比較微小，因此必須減少電能在電路當(dāng)中的損耗，或者放大輸出信號(hào)。對(duì)于壓電能量采集器來說，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的電能輸出需優(yōu)化現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)新型的整流橋、設(shè)計(jì)針對(duì)多壓電器件的低損耗電路等。

5基于壓電材料的雙頻段能量收集天線

基于壓電材料的雙頻段能量收集天線，通過以PVDF壓電薄膜作為天線的介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì);通過在介質(zhì)層上添加寄生單元改變表面電流分布，實(shí)現(xiàn)雙頻段的設(shè)計(jì)。天線性能的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本吻合，工作頻段覆蓋2.4GHz與5.8GHz常用ISM通信頻段，–10dB工作帶寬分別為560MHz與1.01GHz。該天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于集成，適用于對(duì)抗環(huán)境多樣性的能量收集領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)低功耗電子器件自主供電?；趬弘姴牧系碾p頻段能量收集天線，通過以PVDF壓電薄膜作為天線的介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì);通過在介質(zhì)層上添加寄生單元改變表面電流分布，實(shí)現(xiàn)雙頻段的設(shè)計(jì)。天線性能的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本吻合，工作頻段覆蓋2.4GHz與5.8GHz常用ISM通信頻段，–10dB工作帶寬分別為560MHz與1.01GHz。該天線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于集成，適用于對(duì)抗環(huán)境多樣性的能量收集領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)低功耗電子器件自主供電。

智能復(fù)合材料層合板的應(yīng)用

結(jié)束語

壓電效應(yīng)通常指介電材料受到外力作用時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象，因機(jī)械應(yīng)力作用引發(fā)的被稱為正壓電效應(yīng)或直接壓電效應(yīng)，因外電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械形變而引發(fā)的被稱為逆壓電效應(yīng)或間接壓電效應(yīng)。近年來的研究情況顯示，大多數(shù)研究人員將提升PNG性能的切入點(diǎn)落腳于壓電材料，通過各種工藝將多種材料整合在同一納米發(fā)電機(jī)中，以賦予其多源采集能力和優(yōu)良的輸出性能。但是作為新興的研究領(lǐng)域，PNG結(jié)構(gòu)對(duì)輸出性能的影響并沒有系統(tǒng)的理論與成果檢驗(yàn)，尚需更深層次的結(jié)構(gòu)探究與總結(jié)，才能進(jìn)一步向優(yōu)化PNG輸出性能的目標(biāo)推進(jìn)。

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