淺談壓電材料在滑雪板減振方面的應用

崔淵博 胡劍偉 蔡展鵬

摘 要：在近幾年壓電新材料開發和制備取得重大進以及壓電材料應用成為熱門的研究領域的大背景下，本文提出了將壓電材料用于滑雪板減振方面的可行方案。該方案利用壓電材料的壓電效應，通過能量轉換裝置將滑雪板工作過程中產生的劇烈振動部分轉化為電能，從而降低滑雪板的振幅，緩解滑雪者因滑雪板的劇烈振動而產生的疲勞。此外，產生的電能點亮安全警示LED燈，最終達到給滑雪者更舒適、更安全的滑雪體驗的目的。

關鍵詞：滑雪板；壓電材料；壓電效應

2015年7月31日年北京成功獲得2022年冬奧會的舉辦權，這必將極大地促進我國冬季運動的普及與發展。滑雪是普及度很高的冬季運動項目，因此滑雪板的市場需求量非常大。滑雪運動大多在戶外山坡上進行，凹凸不平的山坡即使覆蓋一層厚厚的積雪也難免會引起滑雪板的振動，人處于這種振動下一段時間后就會產生疲勞感，而這種疲勞感會導致動作緩慢吃力，甚至造成嚴重的安全事故。基于上述事實，本文提出將這種振動能量通過壓電換能裝置轉化成其他形式的能量這一可行方案，根據能量守恒原理，滑雪板的振動幅度就會大大減低，從而達到緩解滑雪者振動疲勞的目的。

1 壓電效應以及壓電材料的選擇

1.1 壓電效應

壓電效應可以分為正壓電效應和逆壓電效應。某些電介質，如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）、壓電陶瓷等物質，在沿一定方向上受到外力的作用時，不僅幾何尺寸發生變化，而且內部會產生極化現象，從而在某些表面上出現電荷，形成電場。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向發生改變時，電荷的極性也隨之改變。壓電效應是可逆的，當在電介質的極化方向上施加外電場，這些電介質的幾何尺寸也會發生變化，去掉電場后，電介質的變形也隨之消失，這種效應稱之為逆壓電效應。

1.2 壓電材料的選擇

常用的壓電材料大致可以分為三類：壓電單晶、有機壓電薄膜和壓電陶瓷。壓電單晶為單晶體，常用的有α—石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）等。石英是壓電單晶中最具有代表性的，其應用非常廣泛。但是石英的壓電常數不高，不能滿足滑雪板換能器能量轉化量大、轉化迅速的特點，因此不宜選用。其他壓電單晶的壓電常數為石英的2.5-3.5倍，但價格比較貴，也不宜選用。水溶性壓電晶體，如酒石酸鉀鈉（NaKO4H4O5·4H2O）壓電常數較高，但容易受潮，機械強度低，性能不穩定，也不符合相應的性能要求。有機壓電薄膜易于大批量生產，且具有面積大、柔軟不易破碎等優點，但是其壓電特性不是很好，因此不適合選用。壓電陶瓷為多晶體，常用的有鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等。在一定溫度下極化處理后的壓電陶瓷的壓電常數比單晶體高得多，一般比石英高數百倍，此外壓電陶瓷制作方便，成本低，因此適合作為壓電換能裝置的壓電材料。

2 壓電換能器電路圖設計

滑雪板的振動是無規律振動，因此壓電陶瓷產生的電荷是瞬間和交替的，其提供的能量也是不穩定的，而且在電能提取過程中存在阻尼效應（當滑雪板振動的機械能傳遞給壓電陶瓷后，會在壓電陶瓷內產生交流電壓，如果材料內部電阻過大或者過小，根據壓電效應的可逆性，產生的電能未傳給電容器而是再次轉化為振動，從而降低減振效果），因此應先將產生的電荷儲存至電容器，經過控制電路的調壓后，將電容器中存儲的電能轉移至鋰電池（具有能量密度高、質量輕、壽命長、容量保持性好以及溫度適應范圍大的優點）中，控制電路控制鋰電池供電給LED燈的時間（滑雪板閑置時LED燈熄滅）。電路原理圖如下圖（1）所示。

3 壓電換能器在滑雪板里布置位置的設計

滑雪板的振動形式固定，因此要想壓電換能器發揮最大的作用，壓電陶瓷的布置就必須符合一定條件。壓電換能器在滑雪板里的布置如下圖（2）所示：

灰色部分為壓電陶瓷，白色部分為電容器、控制電路、整流電路、鋰電池的封裝體，紫色部分為LED燈。

4 結語

本文介紹的這種新型雪橇板屬于概念設計，要真正完美地做出產品來還需要做很多驗證、優化工作。首先就是壓電換能器各個部件的尺寸參數、物理參數的確定，這需要通過實驗來確定最優數值，如電容器的尺寸和電容、壓電陶瓷的厚度和長度、LED燈的功率等。其次是確定壓電換能器在滑雪板上的最佳布置方案，如封裝體和LED燈的位置、壓電陶瓷的布置密度等，如果布置不合理，可能導致更為嚴重的共振問題，使新設計失去意義。

參考文獻

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