MFC柔性壓電材料俘能特性實驗及其往復彎曲擺動參數優化*

鄒玉金，李仁旺，宋瑾鈺

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州310018；2.浙江經貿職業技術學院，浙江 杭州 310018)

當前，5G應用技術不斷升級，針對5G的基礎設施建設與新設備開發也獲得了快速發展，同時各類電子器件也不斷呈現體積小型化的發展趨勢，越來越多的新型電子產品逐漸獲得了應用[1-4]。此外，為增強數據處理能力，更加高效的智能傳感器也引起了許多學者的關注，并獲得了快速推廣應用。微機電系統屬于一類微驅動結構，需要利用微納米加工方法制造傳感部件、信息處理與傳輸單元，各部分組裝得到微智能設備，屬于當前的一項前沿研究技術[5-8]。

柔性壓電材料因具備高柔韌性、耐腐蝕、無污染、質量輕、延展性好、高穩定性以及易加工成型的優勢，被廣泛用于壓電能量采集系統中[9-11]。考慮到實際工況下存在多種類型的振動能量，柔性壓電材料因具備優異柔韌性，這使其非常適合進行流動能量高效采集的過程[12-14]。國外學者Viet開發了一種可以滿足內置安裝要求的頻率轉換部件，由此達到通過壓電效應進行海浪能量收集的功能，該裝置在實際工作階段中在海浪推動作用下促使機械增頻裝置齒輪發生轉動，同時帶動末端裝有磁鐵部件的風車進行運動，由此實現利用懸臂梁完成能量回收的過程[15]。Bla?evi'c D等為汽車輪胎配備了壓電俘能控制系統，能夠對車輪在行駛階段形成的振動能量進行高效收集，之后將這些能量轉化成電能并對胎壓檢測系統進行供電[16]。本文建立了一種可以對柔性壓電材料進行往復彎曲測試的平臺，利用該系統測試了柔性壓電材料的俘能狀態。

1 實驗系統搭建

1.1 振子柔性壓電振子制作

本實驗采用MFC柔性壓電材料以及銅基板，通過粘接的方式進行制備。為去除銅基材表面的氧化物及其他雜質污染物，利用金相砂紙打磨試樣形成了更粗糙的表面結構，確保可以跟MFC柔性壓電材料之間形成緊密粘合狀態；接著，將上述處理得到的銅制基板與MFC柔性壓電材料禁入丙酮試劑中超聲清洗15 min使油污被充分去除干凈。在MFC柔性壓電材料上粘結黃銅箔基板后，其中，粘結劑組成為按照2∶1質量比稱量環氧樹脂與聚酰胺固化劑并將兩者進行充分混合達到均勻狀態。在壓電材料表面涂上一層厚度均勻的粘結劑，接著將其平滑貼至銅箔基板，對粘結后的壓電振子輕輕按壓使其達到更緊密的結合狀態。需盡量控制基材表面形成均勻的粘接劑并減小其厚度，從而獲得與真實情況更接近的測試結果。

采用粘結劑完成粘結后，再將其置于恒溫箱內，設定溫度為50℃，經過4 h烘干處理。將電極由壓電部件的端口位置引出，同時把導線焊接到MFC壓電纖維片上，需注意當焊錫用量太大時，將會干擾實驗結果，因此在滿足焊接強度的條件下應盡量減少焊錫量。本實驗制得的柔性壓電振子結果見圖1。基板、耦合材料及壓電材料三者的聲阻抗值均為38.6 Pa·s/m，22.4 Pa·s/m及47.3 Pa·s/m，具有很好的匹配性。

圖1 懸臂梁柔性壓電振子

1.2 實驗方案

①實驗臺搭建

圖2顯示了根據設計方案建立的測試系統。其中，實驗臺以聚甲基丙烯酸板作為臺體，利用特定型號的螺栓來達到固定的目的，為支撐板設置了開槽結構，可以實現對夾持結構進行高度控制功能。該測試平臺采用螺栓腳架構建形成支撐座，該結構的安裝過程較簡單，并且整體成本也較低。

圖2 實驗平臺

②線路連接

利用單片機脈沖信號實現對電機轉動過程的驅動作用，但采用單片機并無法實現對步進電機的直接調控過程，在兩者間設置了步進電機作為驅動器，并實現連接的功能。以共陽極接線方式為單片機和步進電機驅動器建立連接，接線期間不設置限流電阻，使PUL＋、DIR＋與ENA＋都連接到單片機共同的正極上，對應的電壓為＋5 V；ENA-與PB14引腳相連接，PUL-與PA8引腳相連接，DIR-與PB13引腳相連接。

③實驗系統整體構成

圖3顯示了對柔性壓電材料進行往復彎曲擺動測試的示意圖。可以看到，該系統包含了單片機、Labview上位機、步進電機、驅動結構、示波器等多個部分。

圖3 柔性壓電材料往復彎曲擺動實驗系統

本次使用的柔性壓電材料屬于MFC；系統通過步進電機提供運行過程所需的動力，通過Labview上位機界面為人員與系統之間構建控制聯系渠道，在下位機開發板中設置了控制程序，能夠滿足步進電機驅動控制功能，利用電荷放大器來激發低電荷量信號，避免因為信號過弱而不能被檢測到的情況，示波器可以實現采集測試數據并對結果進行顯示的功能。

2 實驗結果分析

2.1 系統參數分析

①壓電材料截面積優化

以20 r/min速度對步進電機進行彎曲擺動測試，控制步進電機彎曲擺動角介于0~60范圍內，并為測試系統配備了阻值為100 kΩ的電阻，柔性壓電振子在不同步進電機擺動角下會發生相應的改變，同時輸出對應的開路電壓。圖4給出了以不同橫截面柔性壓電材料得到的開路電壓幅值數據，通過分析發現，當截面積改變后，柔性材料將會輸出不同的開路電壓幅值，兩者間存在明顯的關聯性。處于恒定的彎曲擺角狀態下時，逐漸提高柔性壓電材料橫截面的過程中，懸臂梁柔性壓電振子將會輸出更大幅值的開路電壓，這是由于隨著截面積的增大，柔性壓電材料受壓電效應影響而出現極化現象，將會產生更加廣泛分布的極化電荷，而且隨著壓電材料尺寸增加后，將會導致其內部儲存更多的正負電荷。

圖4 隨截面積變化的開路電壓幅值曲線

②基板厚度優化

利用厚度依次為1 mm~3 mm的三種銅箔制備得到基板材料，控制步進電機彎曲擺速為20 r/min，并設置了100 kΩ外接電阻。控制步進電機彎曲擺動角由0逐漸增大至70°的過程中，測試壓電材料開路電壓幅值及其輸出功率。圖5顯示了在不同厚度基板條件下形成的開路電壓幅值，根據圖5測試結果發現，不管是否存在基板還是改變基板厚度的情況下，壓電材料都保持相對穩定的開路電壓幅值，并且也跟壓電材料表面是否設置基板關系不大。這是因為基板不屬于壓電材料，其作用主要在于為壓電材料提供保護功能，并對系統固有頻率與運行穩定性都能夠發揮一定影響。

圖5 隨基板厚度變化的開路電壓幅值曲線

2.2 外部因素優化

①外接負載電阻優化

以20 r/min速度對步進電機進行彎曲擺動測試，將負載電阻通過外接導線與壓電振子相連接，設定其電阻介于10 kΩ~1000 kΩ之間，通過示波器顯示電阻電壓發生變化的幅度。圖6是在不同負載電阻條件下測試得到的開路電壓幅值，根據圖6可知，在懸臂梁柔性壓電振子保持45彎曲擺動角的情況下，將負載電阻由10 kΩ提高到1 000 kΩ時，形成了幅度更大的開路電壓幅值，由最初0 mV增大到了2 085 mV，總體表現為隨著負載電阻的增大，形成了更大的開路電壓幅值并最終接近穩定狀態。設定100 kΩ的固定負載電阻后，將彎曲擺動角由15提高至60期間，獲得了更大的開路電壓幅值，由1 556 mV提高至2 356 mV，可以根據以上結果判斷開路電壓幅值與彎曲擺動角的關系。

圖6 隨負載電阻變化的開路電壓幅值曲線

②彎曲擺速優化

如圖7所示，是將柔性壓電材料置于不同步進電機彎曲擺速條件下測試形成的開路電壓幅值。其中，彎曲擺速為20 r/min，負載電阻阻為100 kΩ，依次測試了電機彎曲擺動角處于60°、20°與5°條件下時的開路電壓幅值與輸出功率。根據圖7可知，調整彎曲擺速后，并沒有引起開路電壓幅值的明顯改變，總體保持相對穩定趨勢。在保持恒定彎曲擺動角下，調節不同的壓電振子彎曲擺速時，測試得到的開路電壓幅值也只是發生了小幅波動，表現為當彎曲擺速提高后，依然保持穩定的開路電壓幅值。

圖7 彎曲擺速與輸出電壓幅值的關系

③彎曲擺角優化

圖8顯示了彎曲擺動角引起的開路電壓幅值變化結果。根據圖8可知，設定步進電機擺速為20 r/min時，逐漸增大懸臂梁柔性壓電振子彎曲角的過程中，形成了更大的開路電壓幅值，當開路電壓幅值升高至某一最大值時，進一步提高彎曲擺動角后，開路電壓幅值保持相對穩定狀態，這是由于對于固定尺寸柔性壓電材料來說存在一個最大的極化值，因此并不能無限增大。設定彎曲擺動角為15，彎曲擺速為20 r/min，壓電材料橫截面為800 mm2的條件下，外接負載電阻100 kΩ，可以輸出2 760 mV的開路電壓幅值。

圖8 壓電片彎曲角度與開路電壓幅值的關系

3 結論

①處于恒定的彎曲擺角狀態下時，逐漸提高柔性壓電材料橫截面的過程中，懸臂梁柔性壓電振子將會輸出更大幅值的開路電壓。基板厚度與開路電壓幅值關系不大。

②在懸臂梁柔性壓電振子保持45彎曲擺動角下，將負載電阻由10 kΩ提高到1 000 kΩ時，形成了幅度更大的開路電壓幅值，總體表現為隨著負載電阻的增大，形成了更大的開路電壓幅值并最終接近穩定狀態。調整彎曲擺速后，并沒有引起開路電壓幅值的明顯改變，總體保持相對穩定趨勢。

③經過試驗確定較優的參數:設定彎曲擺動角為15，彎曲擺速為20 r/min，壓電材料橫截面為800 mm2的條件下，外接負載電阻100 kΩ，可以輸出2 760 mV的開路電壓幅值。