北京大学董蜀湘课题组《AFM》，“磁-机-电耦合能量采集”研究方面取得新进展

科学研究进展 2022-05-04 22:18

压电陶瓷是一种重要的机电转换功能材料。它能够实现磁、力、电及光、热等多物理场的耦合，而被广泛应用于精密驱动、智能传感、电子通讯等领域。对于工作在谐振状态的压电器件而言，如压电变压器，微能量采集器，都需要一种同时具有高压电系数和低介电损耗的高性能压电陶瓷。然而，压电陶瓷内部的偶极子通常以介电损耗为代价来提高压电性能。因此，制备这种高性能压电陶瓷一直以来颇具挑战。

近日，材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组及其合作者哈尔滨工业大学边浪讲师（共同通讯作者）、清华大学李仰群教授，通过缺陷工程的方法，成功制备Mn掺杂的PNN-PZT基压电陶瓷(0.025Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.525Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.135PbZrO3-0.315PbTiO3) (PMNN-PZT)。这种压电陶瓷具有优异的压电性能：压电电荷参数e33为37.74 pC m−2，低介电损耗tanδ为0.45%。与已报道的相关成果相比，该工作制备的PMNN-PZT陶瓷具有更优异的综合性能，以满足高性能压电能量采集要求。

图1. PMNN-PZT压电陶瓷性能和其他已报道压电材料性能对比图

此外，课题组还提出了一种基于PMNN-PZT陶瓷的变刚度悬臂梁结构磁-机-电耦合的能量采集器。在外界的随机脉冲的振动或磁场激励下，该能量采集器表现出较强自谐振效应。实验结果表明，在0.6 s脉冲振动刺激下，该能量采集器能够实现长达6 s的自谐振阻尼振荡，其振动频率为自身谐振频率16 Hz。该过程产生的最大峰峰值功率为15.7mW。

图2. 基于PMNN-PZT陶瓷/商业陶瓷的变刚度结构能量采集器在脉冲振动下的功率输出性能

在实际环境中，如公路上行驶汽车，其车轮和轴承的转动会同时激发弱振动和弱磁场。为评估该工作提出的基于PMNN-PZT陶瓷的变刚度结构能量采集器在之后实际应用中的性能。在弱振动和弱磁场同时激励下(Hac = 0.5 Oe, a =0.05 g)，变刚度结构能量采集器产生的峰峰值功率密度约为480 mW Oe-2g-2cm-3，较现有相关报道高出一到两个量级。这一输出功率可以成功驱动商用温度/湿度传感器。这一结果表明：基于PMNN-PZT陶瓷的变刚度结构能量采集器在弱振动和弱磁场环境中，为未来物联网中传感和发射器件无线供能具有重要潜力。

图3. 基于PMNN-PZT陶瓷的变刚度结构能量采集器在弱磁场和弱振动同时激励下的功率输出和实现温湿度传感器驱动

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是北京大学2020级博士生余中辉，董蜀湘教授是本文通讯作者。

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