高溫壓電振動能量回收器件和高溫驅動器

新能源與節能環保

傳統PZT壓電陶瓷應用廣泛，但在居里溫度較低，環境溫度較高時，PZT陶瓷樣品極易退極化。隨著壓電材料的應用范圍的進一步拓展，一些極端條件對壓電陶瓷的應用提出了新的挑戰。北京大學工學院實驗室利用高居里點的鈧酸鉍 - 鈦酸鉛壓電陶瓷制備了基于 d31模式和d33模式的應用于高溫環境中的壓電振動能量回收器，器件可以穩定地工作在 150℃以上的高溫環境中。高溫下由于電疇被活化，器件的壓電系數和相應的輸出功率比室溫時提高一倍以上。

與壓電能量回收器不同的是，壓電驅動器是一種利用壓電效應，將電能轉化為機械能實現納米級驅動的器件，壓電驅動器利用壓電材料的準靜態逆壓電效應實現10微米至100微米的微小位移；同時，還可以利用壓電陶瓷的高溫諧振動效應制備高溫壓電馬達。

在工業上所用的大功率超聲器件、高溫物體超聲波、高溫物體的振動、加速度和壓力測定都必須選用高溫壓電材料，尤其汽車和航空工業更迫切需要更高工作溫度的壓電材料。

本課題組研制的一種高溫直線型壓電驅動器，最高操作溫度為 200度。和電磁馬達相比，壓電驅動器具有產生力大、響應快、電磁兼容性好、運行精度高、體積小、重量輕等特點，可以有效彌補傳統電磁電機在高溫環境應用中的不足。本實驗室還制備了基于鈧酸鉍 - 鈦酸鉛壓電陶瓷的高溫多層驅動器。實驗測試顯示，這種多層驅動器最高工作溫度為 250℃，而且在高溫下，多層壓電驅動器的位移比室溫高出一倍。課題組設計制備的多層壓電驅動器可以穩定工作在 250℃以下的環境中，基本滿足高溫環境下精密驅動的需求。