压电阻尼在能源回收方面的运用

吴亚伦 张凤玲 王志 田晶

（1 沈阳航空航天大学航空发动机学院 辽宁沈阳 110136）（2 沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室 辽宁沈阳 110136）

随着社会的不断进步和发展，人们对于环保和可持续发展的意识日益增强，因此，节能绿色技术和环保新型材料的应用也变得越来越重要和广泛。得益于大量新型压电材料的出现，压电技术［1］快速发展。这种技术的应用在节能环保方面具有很大的潜力，尤其是压电发电技术［2］的研究和应用，可以有效地利用机械振动、声波、光波等资源，将其转化为可用的电能，从而实现绿色、清洁能源的转换与回收。其中，压电阻尼［3］发电技术在对原本结构振动减弱的同时，有效回收振动中耗散的能量而达到节能的目的，其应用前景非常可观。本文首先对压电材料进行介绍，然后对压电阻尼能量回收技术进行分析，最后以悬臂梁模型为例，对其能源回收效果进行验证。

1 压电材料

压电材料［4］是指在机械应力或电场的作用下能够发生形变和电荷分布的材料。居里兄弟于18 世纪研究石英晶体时发现了压电效应，在研究石英晶体时，他们发现当对晶体施加力或震动时，会在晶体表面出现电荷，使得晶体两端带有电荷。几年后，居里兄弟还发现了石英晶体的热释电效应。居里兄弟的这些发现为压电材料的制备、应用提供了基础。后来，研究人员发现了更多的压电材料，包括铁电材料和高分子材料等，为压电技术的应用提供了更多的可能性。

压电效应的实现机制是材料内部的电偶极矩或晶格的变形。在压电材料的晶体中，原子和离子的排列方式不是完全对称的，在外界施加力或电场时，这种不完全对称会导致晶体结构发生变化，电偶极矩或晶格发生畸变。这种畸变可以是材料的整体形变，也可以是局部的电荷分布变化。当压电材料受到外界压力会发生形变，导致内部电荷分布不对称，从而产生电势差，使得电荷在材料内部移动，最终在两端表面积累。而晶体表面电荷面密度与极化强度在表面法向上的投影相等，所以会出现异号电荷。

压电材料的极化是压电效应的关键因素之一，是电荷分布不对称导致的电势差和电场强度的产生。压电材料的极化可以分为自发极化和外电场极化2 种，它们之间互相影响并共同作用于压电效应。

自发极化会在不外加电场的情况下发生，是由于压电材料本身内部结构的不对称性导致的。在压电材料中，正离子和负离子在特定晶体结构下会排列成固定的几何形状，其中某些方向的电性质往往与其他方向不同，从而产生电性质的非对称性。这种非对称性就是压电材料自发极化的来源，它和材料本身的内部构造紧密关联。

另一方面，外电场极化则是在外部电场的作用下发生的。在受到外界电场的作用下，压电材料的矩阵结构内部电荷分布发生变化，从而使得压电材料的极化强度发生改变。为了使压电材料获得最大的极化，通常需要对外电场进行相应的调节和优化。外电场极化的过程需要一定的能量才能完成，在外电场消失时，压电材料的极化强度也会相应降低。

总的来说，压电效应是由自发极化和外电场极化共同作用形成的。这2 种极化方式的相互作用和影响，对于压电材料的性能和应用都有着重要意义。因此，在压电材料设计和制备过程中，需要考虑这2 种极化的影响，并进行合理的优化和调节。

1.1 无机压电材料

无机压电材料大体上可以分为压电晶体和压电陶瓷2 种。

1.1.1 压电晶体

压电晶体是1 种具有压电效应的晶体材料，其压电性能与晶体的对称性和结构有关。当外部电场或机械应力作用于晶体时，晶体会产生形变或电位差，这种电位差与晶体的对称性和结构有关。常见的压电晶体包括石英、LiNbO3、PZT 和BTO 等。这些晶体材料具有良好的机械强度、耐热性和稳定性，因此被广泛应用于传感器、驱动器、声发生器等领域。除此之外，还有一些特殊的压电晶体材料，如纵电效应晶体、横电效应晶体等，具有特殊的压电性能和应用场景。随着技术的不断发展和应用范围的扩展，压电晶体材料在各个领域的应用前景将会更加广阔。

1.1.2 压电陶瓷

当施加外加压力或电场时，压电陶瓷可以发生形变并且会在其两端产生电荷。这种性质使得压电陶瓷在许多电子器件和传感器中都得到广泛的应用。压电材料包括铁电性晶体、压电陶瓷和某些高分子材料等。其中，压电陶瓷是最常见的压电材料之一。

压电陶瓷的应用十分广泛，可以用于制造压电传感器、压电陶瓷换能器、压电计数器、压电陶瓷滤波器、压电陶瓷谐振器等电子元件，以及医疗行业的超声波探头、制药设备、储能设备等，还可以用于声呐系统、压电驱动器、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。常见的压电陶瓷有以下3 种。

（1）PZT 陶瓷。PZT 是指铅锆钛氧化物，是一种典型的压电陶瓷材料。它具有较高的压电系数、介电常数和机械强度，应用范围广泛。

（2）PNZT 陶瓷。PNZT 是指铅镁锆钛氧化物，它与PZT 类似但具有更好的耐热和耐疲劳性能。PNZT 陶瓷适用于高温环境和高频应用。

（3）PSN 陶瓷。PSN 是指铅锶钛酸钡，具有高压电系数和较高的机械质量因数。它在传感器、麦克风、声发生器等领域得到了广泛应用。

2 压电阻尼

压电阻尼是指利用压电材料的2 种物理效应—压电效应和反压电效应来控制振动的阻尼。具体来说，当压电材料受到外部机械振动时，就会产生振动电势，这个电势与振动频率相当。接着，这个振动电势会驱动压电材料的结构发生刚度变化，从而通过反压电效应在压电材料内部产生能量消耗和机械能的转换，达到阻尼的效果。其中，材料内部产生的能量耗散又可以通过电学元件产生电流进行能量回收，

在实际应用中，压电阻尼主要分为2 类：①加入压电阻尼器来对机械系统进行阻尼，基本原理如上所述；②利用现有的压电材料本身作为阻尼器来对机械系统进行阻尼，这样可以减少系统的复杂度和成本。不同的压电阻尼方法会受到很多因素的影响，如压电材料的性质、机械系统的特点和应用环境等。

压电阻尼作为1 种创新性的技术已经被广泛应用于机械振动控制、精密测量和能量回收等领域。它可以在不增加系统质量的同时，实现振动抑制和振动能量的回收利用，优化系统的性能和效率。

长期以来人们利用正压电效应［5］构建力作动器，利用逆压电效应构建传感器。通常情况，3 方向为极化方向，1、2 方向为与3 垂直的2 个正交方向；同时，假定电场方向总是平行于极化方向，因而d3j（j=1，2，3）表示极化方向在3 方向，而机械变形或受力方向在j 方向时的材料参数。显然，d3，1、d3，2和d3，3有较大不同，因此压电材料是各向异性材料，即d3，1=d3，2，d2，4=d1，5，。在实用中人们经常用到的是33 模式（通常被称为压电片的“厚度模式”）和31 模式（通常被称为压电片的“弯曲模式”），d5，1模式通常被称为“剪切模式”。图1 为1 个压电单元（31模式）示意图。3 种模式下压电作动器不同工作方式如图2 所示。

图1 压电单元（31 模式）示意图

图2 压电作动器不同工作方式

3 实例分析

以带有压电阻尼的悬臂梁结构来验证压电能量回收性能。悬臂梁如图3 所示，它一端夹紧，一端自由。压电片材料选取为PZT 压电陶瓷，以自身极化产生压电效应。压电片被粘在靠近夹紧端的梁上表面，以连接控制电路（SSDS 电路［6］），使压电片作用力始终与结构振动方向相反，有效产生能量回收作用［7］。压电片的极化方向垂直于梁。以闭合回路中功率（电压与电路乘积）来表征回收能量。正弦激振力施加于梁的自由端，以激振器所产生功率来表征作用能量。回收能量与作用能量之比（能量回收比）来表征压电阻尼在能源回收方面的效果。

图3 具有压电阻尼能悬臂梁能量回收试验装置

悬臂梁与压电变相关参数见表1 和表2，激振力频率控制在100 Hz。实例中通过改变激振力幅值，来计算对应能量回收比，进而来验证压电片在能源回收领域的应用前景。

表1 悬臂梁参数

表2 压电片参数

通过改变不同的正弦激振力幅值大小（5～25 N），并保持激振频率不变。回收比随激振力变化折线图如图4所示。由图4 可知，本文所用的压电片能量回收比随激振力幅值的增大而增大，且能量回收比稳定在20%范围内，在能源回收领域有良好的发展前景。

图4 回收比随激振力变化折线图

4 结论

（1）压电材料具有能够将机械能转化为电能的特性，因此在能量回收方面具有重要的应用潜力。

（2）压电阻尼技术能在减震的同时达到能量回收的目的。在本文所搭建的试验装置当中，验证了压电阻尼能量回收技术的可行性，其在能源回收领域有很大的应用前景。