压电纳米发电机材料选用和结构设计研究进展

自2006年压电纳米发电机首次亮相以来,各种压电材料都被应用到这一领域,压电纳米发电机的制备工艺和器件结构不断得到优化.同时,研究者们不断利用新方法来开发新的压电材料,以改善压电纳米发电机的性能.而压电材料性能的制约使研究者开始对器件结构进行构思,从常规的平行板结构到多层结构,再到混合器件,都在进行着不断的探索,并取得丰富成果.本文从压电纳米发电机的结构入手,结合其材料、制备方法、性能、特点等,对近年来相关研究成果进行了概述,评价了不同压电材料和不同结构条件下纳米发电机的输出性能表现,分析了压电纳米发电机今后发展面临的问题和发展前景,以期为研制具有多源能量采集能力的压电纳米发电机提供参考.     

压电高聚物及耐高温性能的研究进展

近年来，随着人类社会的高速发展，全球化石燃料资源大幅下降，现有的能源储量逐渐无法满足社会发展需求，因此，将自然界中无法利用的能量转换为可再生能源成为了研究热点。压电高聚物作为压电材料的重要组成部分，具有高强度、高柔性和对电压的高度敏感性，可以将自然界中的机械能、热能、声能和振动能转化为电能，在纳米发电机、传感器、生物医学等领域有着很大的潜力。但大多数压电高聚物存在着居里温度低的问题，因此研制新型耐高温的高聚物是目前的重要发展方向。首先针对几种广泛使用的压电高聚物(聚偏氟乙烯、尼龙11和聚丙烯腈)的研究进展进行了介绍，然后基于这些材料耐高温性能的发展进行了论述。     

基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.     

基于无机填料复合薄膜的摩擦纳米发电机研究进展

摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一种将微小机械能转化为电能并加以收集利用的绿色能源器件, 具有活性材料种类广泛、器件结构简单以及易于集成等特点。较低的输出功率密度是目前阻碍其实际应用的主要因素之一。如何通过材料组分设计与制备提高其输出功率密度及能量转化效率, 是目前该领域研究者关注的热点问题。在摩擦纳米发电机常用的活性材料-高分子聚合物中引入功能性填料是一种简便且高效的改性方法, 不仅能够对薄膜摩擦电性能进行优化、提高输出性能, 还能够赋予其新功能, 可谓一举多得。因此, 此类复合薄膜已广泛应用于TENG领域, 例如TiO₂、SiO₂、BaTiO₃、ZnSnO₃、MoS₂、石墨烯、二维黑磷等无机填料对复合材料的性能均有不同程度的优化, TENG的输出功率密度最高提升了数十倍。本文结合国内外研究现状, 按照填料对基体材料表面性能以及电学性能优化作用两个方面进行阐述, 综述了复合材料薄膜在摩擦纳米发电机中的研究进展, 并展望了未来复合材料用于提高TENG输出性能研究的发展方向。     

压电聚偏氟乙烯纳米纤维的应用进展

压电聚合物因柔性、加工容易和成本低等优点备受人们的关注,尤其是在生物医学、能源和电子信息等领域的数据储存器、纳米发电机、传感器和驱动器等器件的开发方面有十分广泛的应用。文中对聚偏氟乙烯的结晶结构、晶型调控以及应用方面进行综述,重点介绍聚偏氟乙烯压电聚合物纳米纤维材料的结构调控及在纳米器件等应用方面的最新研究进展。     

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。     

基于压电效应的时均流能量收集研究进展

基于压电技术的时均流能量收集是一种新型的环境能量收集形式,具有结构简单、成本低廉、无污染、无电磁干扰和使用寿命长的特点。按照不同的时均流能量收集原理分类介绍了最新研究进展,对各种装置之间的性能做了比较,其中采用时均流激声发动机驱动压电换能器的方法能够实现更高的能量转化效率。     

Eu3+掺杂的聚偏氟乙烯/聚氨酯多功能复合纤维的制备与性能

通过静电纺丝方法制备一种掺杂Eu~(3+)的红色荧光、压电兼具弹性的聚偏氟乙烯(PVDF)/聚氨酯(PU)多功能复合纳米纤维,研究了不同混合溶剂体系(二甲基甲酰胺/丙酮混合溶剂和二甲基甲酰胺/四氢呋喃混合溶剂体系)、不同铕配合物的掺杂对复合纳米纤维结晶结构、形貌、荧光性能、压电性能及拉伸性能的影响。研究结果表明,在PVDF中加入PU可制备弹性压电材料,同时掺杂稀土Eu~(3+)既可以起到成核剂作用诱导PVDF/PU复合纤维电活性β相的产生,还能赋予弹性压电材料的荧光性能,故Eu-PVDF/PU膜具备荧光、压电兼具弹性等性能,除在能量收集、可穿戴电子设备及传感器领域应用外,因Eu-PVDF/PU主体中的非对称Eu~(3+)场有利于调节红色,还可用于光电传感器、发光二极管、激光器等领域。     

压电材料在传统吸声结构中的应用

压电材料受到外界声压强作用时，可将声能转化为电能，并进一步转化为热能进行消耗，这可以作为一种新的吸声机制。当把压电材料应用到传统吸声结构中时，压电材料特有的吸声机制有利于提高结构的吸声降噪性能。本文总结了国内外压电材料在传统吸声结构中的应用进展。首先，介绍了常用的压电材料和其吸声机制。此外，根据传统多孔吸声结构和共振吸声结构的分类，系统综述了压电-多孔吸声结构(无机压电填料泡沫、有机压电泡沫、有机压电气凝胶等)以及压电-共振吸声结构(压电薄片、压电微穿孔板、压电静电纺薄膜等)的研究进展，并提炼出两种结构的基本设计原则、结构和性能。最后提出了压电复合吸声结构研究领域存在的问题及发展方向，以促进压电材料在传统吸声结构中的应用。     

新型纳米碳材料的应用新进展

近年来,富勒烯、纳米碳管和石墨烯的发现和报道使纳米碳材料受到各界广泛地重视。新型碳材料可以显著提高复合材料的机械性能和导热性能;制备出具有特殊形貌和微观结构的电极材料,应用在电化学器件中可以改善电化学性能,提高能量转化效率;在催化剂和储氢材料方面也有良好的应用前景。主要总结了这三种纳米碳材料的优异性能及其在储氢材料、超级电容器、催化材料等领域的最新研究进展,并对其未来发展趋势予以展望。     

铌酸钠钾基无铅压电陶瓷制备技术新进展

碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷以其优越的压电性能和较高居里温度倍受关注.结合目前有关KNbO3-NaNbO3(KNN)基无铅压电陶瓷的报道,综述了近年来铌酸钠钾基无铅压电陶瓷在粉体制备、陶瓷的成型、烧结以及晶粒取向等制备技术研究的新进展,并从不同方面展望了今后铌酸钠钾基无铅压电陶瓷性能研究及其制备技术上可能的进展.     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

(NaBi)0.5TiO3基无铅压电陶瓷研究进展

综述了钙钛矿结构（NaBi）0.5TiO3基无铅压电陶瓷的研究现状.评价了（NaBi）0.5TiO3基无铅压电陶瓷的三种改性方法：氧化物掺杂改性、固溶体改性和工艺改性.研究表明：几种方法复合改性效果更佳,无铅压电织构陶瓷压电性能远远优于传统工艺制备的无铅压电陶瓷.     

Ultrahigh Piezoelectric Properties in Textured (K,Na)NbO3‐Based Lead‐Free Ceramics

High‐performance lead‐free piezoelectric materials are in great demand for next‐generation electronic devices to meet the requirement of environmentally sustainable society. Here, ultrahigh piezoelectric properties with piezoelectric coefficients (d₃₃ ≈700 pC N^?1, d₃₃* ≈980 pm V^?1) and planar electromechanical coupling factor (k_p ≈76%) are achieved in highly textured (K,Na)NbO₃ (KNN)‐based ceramics. The excellent piezoelectric properties can be explained by the strong anisotropic feature, optimized engineered domain configuration in the textured ceramics, and facilitated polarization rotation induced by the intermediate phase. In addition, the nanodomain structures with decreased domain wall energy and increased domain wall mobility also contribute to the ultrahigh piezoelectric properties. This work not only demonstrates the tremendous potential of KNN‐based ceramics to replace lead‐based piezoelectrics but also provides a good strategy to design high‐performance piezoelectrics by controlling appropriate phase and crystallographic orientation.     

O-3型压电陶瓷/聚合物复合材料的制备工艺新进展

0－3型压电陶瓷／聚合物复合材料具有单相压电陶瓷或聚合物所不具备的良好的综合性能,因此引起了人们广泛的兴趣和研究。本文综述了0－3型压电复合材料的制备工艺及相应复合材料的压电性能,重点介绍了水解－聚合法、凝聚－胶体法、溶液聚合法3种新型制备工艺,简要分析各种制备工艺的优缺点,为压电陶瓷／聚合物复合材料（甚至是纳米级压电复合材料）的进一步研究、开发和应用提供依据。     

Electrospinning highly oriented and crystalline poly(lactic acid) fiber mats

In recent years, there has been an increased focus on sustainable, green alternatives with similar properties to conventional petroleum-based polymers. Poly(lactic acid) (PLA) is a biodegradable biopolymer which exhibits mild piezoelectric properties and has good processability which gives it potential for use in numerous existing and novel applications. The purpose of this study was to produce highly oriented and crystalline PLA electrospun fiber mats for piezoelectric applications. In order to yield a high piezoelectric constant, high crystallinity and fiber orientation are necessary. A two parallel collector set up was used to mechanically orient the fibers in the space between two copper electrodes. Voltage and feed rate were adjusted to produce smooth, oriented fibers with average diameters ranging 0.73–1.19 μm. Crystallinity and orientation were increased via hot drawing of the fiber mats and were maximized between 40 and 50 % and greater than 50 %, respectively.     

钙钛矿型铌酸盐系无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展

压电陶瓷材料与器件的研究开发极为重要.从发展角度看,无铅压电陶瓷材料与器件的研究是一项顺应"国际社会可持续发展要求"、符合"国家科学技术和经济发展目标"和"国际材料科学与工程发展趋势"、具有严酷竞争性和紧迫性、具有重大社会经济意义的研究课题.综合介绍了(K,Na)NbO3 (KNN)系钙钛矿型铌酸盐无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展,包括陶瓷材料的组分设计与温度稳定性、陶瓷材料的合成制备新技术等;概括总结了KNN系无铅压电陶瓷在器件上的一些应用;分析展望了KNN系无铅压电陶瓷及器件研究的发展趋势.     

Hybrid Nanogenerators for Ocean Energy Harvesting: Mechanisms,Designs, and Applications

The ocean holds vast potential as a renewable energy source, but harnessing its power has been challenging due to low-frequency and high-amplitude stimulation. However, hybrid nanogenerators (HNGs) offer a promising solution to convert ocean energy into usable power efficiently. With their high sensitivity and flexible design, HNGs are ideal for low-frequency environments and remote ocean regions. Combining triboelectric nanogenerators (TENGs) with piezoelectric nanogenerators (PENGs) and electromagnetic nanogenerators (EMGs) creates a unique hybrid system that maximizes energy harvesting. Ultimately, hybrid energy-harvesting systems offer a sustainable and reliable solution for growing energy needs. This study provides an in-depth review of the latest research on ocean energy harvesting by hybrid systems, focusing on self-powered applications. The article also discusses primary hybrid designs for devices, powering self-powered units such as wireless communication systems, climate monitoring systems, and buoys as applications. The potential of HNGs is enormous, and with rapid advancements in research and fabrication, these systems are poised to revolutionize ocean energy harvesting. It outlines the pros and cons of HNGs and highlights the major challenges that must be overcome. Finally, future outlooks for hybrid energy harvesters are also discussed.     

PZT/CB/PVC压电导电高分子复合材料的吸声机理

基于压电导电原理,研制了一种新型吸声高分子复合材料,通过对PZT/CB/PVC高分子复合体系的压电性能、阻尼因子和吸声性能的测试分析,探讨了压电导电高分子复合材料体系中压电吸声途径的耗能机制,结论表明:导电相的添加,一定程度上提高了压电导电高分子复合材料的吸声性能.     

内嵌倾斜压电柱复合材料板的压电振动特性分析

针对1-3型内嵌倾斜压电柱复合板结构,建立压电复合板结构的有限元模型,并推导出变形关系和形函数;应用拉格朗日方程,建立了单元结构的运动方程。针对不同倾斜角度压电柱复合板进行有限元仿真分析,研究了复合压电板的正压电特性,并对复合压电板的能量损耗因子进行分析。研究结果表明：在相同压力下,压电柱的倾斜角度对复合板的弯曲模态频率影响较大。随着压电柱体倾斜角度的增大,模态频率降低,弯曲变形增大;同时,倾斜柱体棱长变长,产生电压增大。悬臂板在压力作用下,沿宽度方向产生反对称电势。在压电陶瓷柱的倾角达到57时,损耗因子达到最大。采用内嵌式倾斜压电柱复合板结构,降低了压电板的脆性,保证大尺寸压电板的结构均匀性和应用。