基于E-ACE機械能轉(zhuǎn)化為電能的影響因素分析*

劉志運

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機車車輛學(xué)院，廣東 廣州 510430)

1 EAP材料

EAP(Electroactive polymer，電活性聚合物)種類很多，常見的有導(dǎo)電橡膠、離子交換膜金屬復(fù)合材料、凝膠體、納米管及介電彈性體等，其主要參數(shù)如表1所示[1，2]。EAP材料可分為電子型和離子型兩種，具有不同的特性。電子型EAP材料多數(shù)是干燥材料，由電場力或庫侖力驅(qū)動，這類材料包括壓電材料、電致伸縮材料和鐵電材料，通常這類材料是極化的，應(yīng)變與電位移耦合;離子型EAP材料通常含有電解質(zhì)，并涉及轉(zhuǎn)運離子、分子對外部電場的響應(yīng)，此類材料有電致流變液體、離子聚合物凝膠、導(dǎo)電聚合物等種類。電子型的EAP材料廣泛應(yīng)用于致動器、傳感器、發(fā)電機等，具有良好的應(yīng)用性能。其中丙烯酸彈性體材料E-ACE(Electric-Acrylic Elastomer)是電子型EAP材料的典型代表，其綜合性能良好、應(yīng)變響應(yīng)快、能量效率高，能夠適應(yīng)較大的溫度、濕度變化，成本低[3]。

表1 EAP材料的主要參數(shù)

2 E-ACE材料發(fā)電機理

E-ACE是一種新型電致感應(yīng)智能材料，是在丙烯酸彈性體材料基質(zhì)的上下表面滲入屈從電極材料(如碳或石墨等)而形成的，是一種基于麥克斯韋效應(yīng)的材料[4]。E-ACE材料具有驅(qū)動和發(fā)電兩種工作模式，可以進行多種形式的發(fā)電，其發(fā)電原理實質(zhì)上是驅(qū)動模式的逆向過程，是將E-ACE材料變形產(chǎn)生的機械能(彈性勢能)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽诖箅娙轄顟B(tài)下將初始電荷注入到介電彈性體薄膜電極上[5，6]。從宏觀上看，在小電容狀態(tài)下，E-ACE的彈性應(yīng)力抵抗了電場力，進而提高了電能；從微觀的角度來看，薄膜收縮且厚度增加時，異性電荷被推離，同性電荷因為薄膜的面積縮小而被壓縮靠近，從而起到了提高電壓的作用[7，8]。E-ACE在發(fā)電實現(xiàn)方式上與其他壓電材料相似，而發(fā)電機理上卻有本質(zhì)的不同。E-ACE材料發(fā)電機理如圖1所示。

圖1 E-ACE材料發(fā)電機理

3 E-ACE機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電模式

根據(jù)E-ACE材料物理結(jié)構(gòu)和極化方向不同，E-ACE機械能轉(zhuǎn)化為電能具有兩種不同的工作模式，即長度振動拉伸模式和橫向振動剪切模式，如圖2所示。長度振動拉伸模式下，外部施加力方向T與極化方向P相互垂直，產(chǎn)生的電壓方向為極化方向；橫向振動剪切模式下，外部施加力方向T與極化方向P平行，產(chǎn)生的電壓方向為極化方向。

圖2 E-ACE兩種振動發(fā)電模式

本文主要針對E-ACE材料橫向振動剪切模式進行研究。假設(shè)E-ACE受到頻率為ω的簡諧振動力F，則E-ACE在厚度方向所產(chǎn)生的電量Q可表示為：

(1)

其中:d31為E-ACE的橫向壓電系數(shù)；l、h分別為E-ACE材料的長度和寬度。

E-ACE作為等效電容C可表示為：

(2)

其中：ε、ε0和A分別為E-ACE材料的相對介電常數(shù)、自由空間介電常數(shù)和表面積。

在任意時刻，E-ACE發(fā)電電壓U可表示為：

(3)

由此可見，若得知E-ACE在厚度方向所產(chǎn)生的電量Q以及電容C，即可得到E-ACE發(fā)電電壓U。還可以通過E-ACE在伸展和收縮過程中面積的改變量得到該材料發(fā)電電能大小。

4 E-ACE發(fā)電實驗方案

根據(jù)E-ACE發(fā)電實驗要求，設(shè)計了E-ACE機械能轉(zhuǎn)化為電能的總體方案。實驗設(shè)備安裝在固定工作臺上，E-ACE材料左側(cè)與固定板連接，右側(cè)與伺服電動缸連接，伺服電動缸固定在工作臺上，E-ACE前后兩電極與直流偏置高壓電源連接。在E-ACE不帶電條件下，電容測試儀與材料兩表面電極分別連接，電容測試儀與PC機連接，實時采集材料拉伸過程中電容的變化量。伺服電動缸與伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器分別與P62轉(zhuǎn)接板、開關(guān)電源連接，P62轉(zhuǎn)接板與運動控制卡連接，運動卡與PC機連接，最終通過VB程序?qū)λ欧妱痈走M行控制。

本實驗選用E-ACE薄膜材料，需要高壓直流偏置電源、高壓探頭、示波器等作為輔助設(shè)備，實驗數(shù)據(jù)可實時進行采集。實驗用E-ACE薄膜材料長、寬分別為100 mm、58 mm，制作E-ACE介電彈性薄膜表面所涂的石墨電極長、寬分別為75 mm、54 mm，并把制作好的E-ACE介電彈性薄膜安裝在振動裝置上。

5 實驗分析

5.1 基礎(chǔ)偏置電壓與發(fā)電電壓的關(guān)系

基礎(chǔ)偏置電壓是影響E-ACE發(fā)電效果的重要因素之一，在拉伸速度為10 mm/s、E-ACE材料1倍拉伸量下，不同基礎(chǔ)偏置電壓對發(fā)電電壓的影響如圖3所示。從圖3可知，E-ACE材料兩端的發(fā)電電壓變化量隨著所涂石墨電極區(qū)所施加基礎(chǔ)偏置電壓的增大而增大。整個發(fā)電電壓升高的過程可描述為：在E-ACE拉伸過程中，材料表面積增大、電容增大、電壓出現(xiàn)短時下降，此時基礎(chǔ)偏置電源會立刻補充電壓；在E-ACE收縮過程中，材料面積減小、電容減小，隨著材料兩端所施加的基礎(chǔ)偏置電壓不斷增加，材料表面的帶電量也會隨之增加，發(fā)電電壓是和材料表面電量成正比，因此在一定條件下材料兩電極所施加初始偏置電壓越高在材料被拉伸過程中所產(chǎn)生的電壓就越高。

圖3 不同基礎(chǔ)偏置電壓對發(fā)電電壓的影響

5.2 變形量與電容的關(guān)系

從E-ACE材料的發(fā)電原理上講，即可變電容。從宏觀上看，材料薄膜收縮時為小電容，E-ACE材料彈性應(yīng)力抵抗電場力，進而提高了電能；從微觀上看，材料薄膜收縮、厚度增加，由于薄膜兩表面異性電荷被推離而同性電荷由于薄膜面積的縮小被壓縮靠近，從而提高了電荷電壓。由此可推知，當(dāng)對E-ACE施加外力使其變形時，變形越大，電容改變量越大，從而使發(fā)電能力越強，而E-ACE材料的發(fā)電過程即為該材料的伸展與弛豫交替過程。為了進一步研究E-ACE材料拉伸過程電容變化情況，設(shè)置拉伸速度為10 mm/s，基礎(chǔ)偏置電壓1 000 V，不同拉伸變形量下的電容變化如圖4所示。

圖4 變形量與電容變化的關(guān)系

由圖4可知：E-ACE拉伸1倍變形量過程中，電容值隨著拉伸量的增加而增大，隨后薄膜在收縮過程中電容值在不斷減小，逐漸恢復(fù)至初始電容值，電容值變化比較平穩(wěn)，當(dāng)E-ACE拉伸到1倍變形量75 mm時電容達到最大值；E-ACE拉伸2倍變形量過程中，電容值隨著拉伸量的增加而增大，隨后薄膜在收縮過程中電容值在不斷減小，逐漸恢復(fù)至初始電容值，電容值變化比較平穩(wěn)，當(dāng)E-ACE拉伸到2倍變形量150 mm時電容達到最大值，繼續(xù)拉伸電容減小。可見，該尺寸的E-ACE薄膜在拉伸過程中整體電容量在升高，下降得比較緩慢，出現(xiàn)這種性質(zhì)與材料自身的特性有關(guān)。

6 結(jié)語

綜上所述，E-ACE材料的開發(fā)和應(yīng)用應(yīng)結(jié)合節(jié)能環(huán)保、開發(fā)新能源的趨勢綜合考慮，選取合適的能量回收裝置，提高效率、降低成本，穩(wěn)定地輸出電能是振動能量回收首要考慮的問題。通過對E-ACE振動能量回收裝置進行發(fā)電實驗可知：在相同拉伸量條件下，基礎(chǔ)偏置電壓越高，發(fā)電電壓就越高；當(dāng)對E-ACE施加外力使其變形時，變形越大，電容的改變量越大，從而使E-ACE發(fā)電能力越強。由此可見，基礎(chǔ)偏置電壓、機械拉伸量都是影響E-ACE振動能量回收裝置發(fā)電電壓的重要因素，E-ACE發(fā)電效果明顯。