新型压电器件在高温下仍能良好工作

根据Memes Consulting的说法,压电材料在传感器,执行器和能量收集器中具有广阔的应用前景,但在高温条件下,压电材料的性能通常会变差,从而限制了其在恶劣环境(例如发动机和太空探索)中的使用。在应用程序中。但是,宾夕法尼亚州立大学(Penn State)和QorTek Corporation联合研究小组最近开发的一种新型压电器件在高温下仍然表现良好。宾夕法尼亚州立大学材料研究所(MRI)负责人克莱夫·兰德尔(Clive Randall)与QorTek的研究人员合作开发了这种压电材料和器件,后者专门从事智能材料设备和高密度电力电子技术的研发。 “ NASA需要解决的问题是如何在难以更换电池的偏远地区为电子设备供电。”克莱夫·兰德尔(Clive Randall)说:“他们还需要自供电传感器来监控发动机的稳定性。因为这些装置需要在火箭发射和其他高温条件下使用,所以传统的压电装置通常会由于高温而失效。压电材料在振动或运动过程中会由于机械力(例如来自发动机)而受到压缩或拉伸,从而产生电荷。因此,它可用作测量压力,温度,应变或加速度变化的传感器。压电材料也可以制成能量收集器,为桥梁状况监控传感器和智能手环等个人电子设备提供电能。上述研究小组将这种新材料制成了压电双压电晶片,并将其应用于压电能量收集器。压电双压电晶片具有两个压电层,其形状和组装方法可以使能量收集效率最大化。传感器或能量收集器将在工作时使压电双压电晶片结构弯曲,然后生成电信号以进行测量或用作电源。不幸的是,上述功能在高温环境下工作效率较低。当前最先进的压电能量收集器的最大有效工作温度范围通常限制在176华氏度(80摄氏度)至248华氏度(120摄氏度)之间。 “压电材料的基本问题是,当温度超过120摄氏度时,它们的性能开始显着下降,而当温度超过200摄氏度时,它们的性能几乎完全丧失。” QorTek首席技术官Gareth Knowles说:“我们的研究是针对美国航空航天局提供的可行解决方案。”由研究团队开发的新型压电材料在高达250摄氏度的温度环境下展现出几乎恒定的有效性能。此外,研究人员在《应用物理杂志》上表示,尽管这种材料的性能在高于250摄氏度的温度下会逐渐降低,但仍被用作高于300摄氏度的能量收集。设备或传感器仍然有效。 GarethKnowles继续说道:“这种新型复合材料在高温环境下的性能与在室温下一样好。这是第一次!因为没有人能够开发在如此高的温度下有效工作的压电材料。将振动转换为电能的压电能量收集器的示意图。这种材料的另一个优点是,它大大提高了能量收集器的发电能力。 CliveRandall说,尽管当前的压电能量收集器尚未达到太阳能电池的发电水平,但这种新材料的性能足以开拓其他应用的可能性。 CliveRandall说:“这项技术的发电能力令人印象深刻,显示出创纪录的性能效率。在黑暗或隐蔽的环境中(例如在汽车系统中,甚至在人体中),将有可能实现连续无电池供电。电源。”克莱夫·兰德尔(Clive Randall)和加雷斯·诺尔斯(Gareth Knowles)都指出,宾夕法尼亚州立大学与QorTek之间的合作关系可以追溯到20多年以前,这可以通过相互补充资源来开发新的/改进的压电材料。 GarethKnowles说:“总体而言,这种合作关系的一大好处是,您可以利用宾州州立大学在该领域拥有的庞大知识库,而像我们这样的小公司有时却不这样做。另一个好处是大学通常拥有一些物理资源,例如重要的过程设备,而这些资源通常不在大学校园内找到。