面向電力設備檢測與診斷的壓電材料及器件

劉奎山

摘要：電力行業是關乎國計民生的基礎能源產業，在信息化時代，各行各業對電力的依賴都在增加，這對輸電網絡供電的可靠性、安全性提出了更高的要求。當前，推進智能電網的建設是中國智能電力建設的重心之一。相較于傳統電網，智能電網是建立在電力系統上的信息架構和基礎設施體系，它將先進傳感技術、信息通信技術、自動控制技術和能源電力技術相結合，并與電網基礎設施高度集成從而形成新型現代化電網。先進傳感技術有助于快速準確地獲取信息并保障后續控制策略的及時執行，對于電網故障的檢測和潛在安全隱患的排查是不可或缺的。智能電網中的無線傳感器網絡正向著小型化、低能耗的方向發展。

關鍵詞：壓電效應;壓電材料;復合材料;壓電傳感器;能量采集器;智能電網

引言

隨著電子通信與無線傳感技術的迅猛發展，越來越多的低功耗電子器件不斷涌現，隨之而來的是這些微型器件的供電問題。傳統的化學電池因其污染嚴重、使用壽命短等固有缺陷逐漸被淘汰，取而代之的是新型能量收集裝置，這些裝置通過收集環境中存在的各種能量并將其轉換成電信號來維持電子設備的正常工作。隨著5G時代的到來，通信基站林立，環境中的頻譜資源也日益豐富，作為射頻能量載體的天線異軍突起。而這其中，以其他能量收集載體作為制作材料的天線由于可同時收集多種能量對抗環境多樣性，從而獲得更高更穩定的輸出效率成為研究的熱點。

1有機壓電材料

有機壓電材料主要是各種壓電聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物為代表。PVDF是一種結晶性聚合物，PVDF內可能含有α、β、γ和δ4種晶型，其中β晶型極性最大，且具有壓電性和鐵電性。相較于無機壓電陶瓷，PVDF的優勢在于其低密度、低聲學阻抗，以及陶瓷材料無可比擬的柔性。目前，壓電PVDF在聲頻轉換器、壓力傳感器、水下聲吶等領域有諸多應用。基于PVDF還研制出了其他鐵電共聚物，例如偏氟乙烯和三氟乙烯（TrFE）的二元共聚物P（VDF-TrFE）和偏氟乙烯、三氟乙烯、氟氯乙烯的三元共聚物P（VDF-TrFE-CFE）等。有機壓電材料的應用主要受限于其低的壓電系數。由于壓電材料在實際使用過程當中需承受循環電場的加載，或者外部環境施加的周期性振動、彎曲等，這會導致壓電材料發生疲勞現象，具體表現為壓電性能隨時間呈對數規律地下降，在大電壓、大應變的工作環境中甚至導致裂紋和斷裂，導致壓電元件完全失效。因此希望在壓電懸臂梁、壓電換能晶片中所使用的壓電材料需盡可能地具有較高的抗壓和抗拉強度，以滿足長時間和惡劣環境中服役的要求。

2壓電材料在可調彈性波超構材料中的應用

在眾多智能材料中，壓電材料毫無疑問是研究最充分、技術最成熟、應用最廣泛的智能材料。無論是厚重堅硬的壓電陶瓷或合金、還是輕質柔軟的聚合物，無論是導體還是半導體，無論體積大小，無論低頻還是高頻，都能找到壓電材料的蹤影或應用。常見的壓電材料可分為壓電晶體（如石英晶體）、壓電陶瓷（如鋯鈦酸鉛PZT）以及壓電聚合物（如聚偏氟乙烯PVDF）三大類，三類壓電材料各有優缺點，在不同領域都有獨特的應用價值。壓電材料最顯著的特點是存在力電耦合效應：在機械荷載的作用下會出現表面電荷并在體內形成電場（正壓電效應），也可以在電場作用下產生變形（逆壓電效應）。這一力電耦合特性賦予了壓電材料在電能和機械能之間進行轉換的能力，從而在換能器、傳感器和激勵器等應用中大顯身手。與其他智能材料相比，壓電材料具有響應速度快、控制精度高、體積小、市場大、價格便宜等突出優點。為了充分利用壓電材料的性能，還需要開發對力學信號快速且精確處理的設備;設計更優異的外接控制電路（穩定性好，調節精確且范圍大，體積小，能耗低等）;在更一般形式的壓電超構材料中充分利用壓電材料所固有的正/逆壓電效應，實現反饋控制。將為高性能智能超構材料及可調聲波器件的研制提供更經濟、更優化、更多樣、更主動的方案選擇。需要指出的是，在壓電超構材料中可能存在各種各樣的材料界面，可能會導致常規數值方法的失效，因此在壓電超構材料的設計中也要重視高效、穩定和精確的數值計算方法的研究。

3基于壓電材料的聲波檢測系統

電力設備在正常運行過程中可能長期受電磁場、發熱、機械力和外在惡劣環境等因素的影響，絕緣材料會發生劣化，可能產生局部放電（簡稱局放）的物理現象。局放會造成介質局部的破壞。如果介質長期存在局放，會加速絕緣劣化，并最終導致介質擊穿和沿面閃絡。局放所導致的絕緣故障在所有電力設備的故障中占到了非常大的比例。目前，主要的局放檢測方法有脈沖電流法、介質損耗法、氣相色譜法、紅外光譜法和超聲檢測法等。相較于脈沖電流法等檢測電學物理量的方法，超聲檢測法具有抗電磁干擾能力強、適用于復雜電磁環境下局放檢測的優點。

4新型能量收集電路的設計。

能量收集電路就是將壓電能量采集裝置或者納米發電機所產生的電能進行整流、AC-DC變換并給外部負載供電，如各種傳感設備。前文所提到的標準整流電路應用較多，但電路本身的消耗較大，由于在壓電能量采集器中，壓電效應產生的電荷量和功率通常都比較微小，因此必須減少電能在電路當中的損耗，或者放大輸出信號。對于壓電能量采集器來說，為實現穩定高效的電能輸出需優化現有電路結構或設計新型的整流橋、設計針對多壓電器件的低損耗電路等。

5基于壓電材料的雙頻段能量收集天線

基于壓電材料的雙頻段能量收集天線，通過以PVDF壓電薄膜作為天線的介質基板實現小型化設計;通過在介質層上添加寄生單元改變表面電流分布，實現雙頻段的設計。天線性能的實測與仿真結果基本吻合，工作頻段覆蓋2.4GHz與5.8GHz常用ISM通信頻段，–10dB工作帶寬分別為560MHz與1.01GHz。該天線結構相對簡單，易于集成，適用于對抗環境多樣性的能量收集領域，實現低功耗電子器件自主供電。基于壓電材料的雙頻段能量收集天線，通過以PVDF壓電薄膜作為天線的介質基板實現小型化設計;通過在介質層上添加寄生單元改變表面電流分布，實現雙頻段的設計。天線性能的實測與仿真結果基本吻合，工作頻段覆蓋2.4GHz與5.8GHz常用ISM通信頻段，–10dB工作帶寬分別為560MHz與1.01GHz。該天線結構相對簡單，易于集成，適用于對抗環境多樣性的能量收集領域，實現低功耗電子器件自主供電。

智能復合材料層合板的應用

結束語

壓電效應通常指介電材料受到外力作用時產生電勢的現象，因機械應力作用引發的被稱為正壓電效應或直接壓電效應，因外電場作用產生機械形變而引發的被稱為逆壓電效應或間接壓電效應。近年來的研究情況顯示，大多數研究人員將提升PNG性能的切入點落腳于壓電材料，通過各種工藝將多種材料整合在同一納米發電機中，以賦予其多源采集能力和優良的輸出性能。但是作為新興的研究領域，PNG結構對輸出性能的影響并沒有系統的理論與成果檢驗，尚需更深層次的結構探究與總結，才能進一步向優化PNG輸出性能的目標推進。

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