據(jù)麥姆斯咨詢介紹，壓電材料在傳感器、執(zhí)行器和能量收集器方面擁有巨大的應(yīng)用前景，但通常在高溫條件下性能會(huì)變得很差，限制了其在發(fā)動(dòng)機(jī)、太空探索等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。然而，賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）和QorTek公司的聯(lián)合研究小組近期開發(fā)的一種新型壓電器件在高溫下仍然表現(xiàn)良好。

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所（MRI）的負(fù)責(zé)人Clive Randall與來自QorTek公司的研究人員合作開發(fā)了這種壓電材料和器件，QorTek公司專門從事智能材料器件和高密度電力電子研發(fā)工作。

“美國宇航局（NASA）需要解決的問題是如何在電池難以更換的偏遠(yuǎn)地區(qū)為電子設(shè)備供電?！盋live Randall說，“他們還需要自供電傳感器，以監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。由于這些器件需要在火箭發(fā)射和其他高溫情況下工作，因此傳統(tǒng)的壓電器件通常會(huì)因?yàn)楦邷囟??！?br />
壓電材料在振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)過程中由于機(jī)械力（例如來自發(fā)動(dòng)機(jī)）的作用會(huì)壓縮或拉伸，從而產(chǎn)生電荷。因此，它可以用作測量壓力、溫度、應(yīng)變或加速度變化的傳感器。壓電材料也可以制作成能量收集器，為橋梁狀態(tài)監(jiān)測傳感器、智能手環(huán)等個(gè)人電子設(shè)備提供電能。

上述研究小組將新材料制作成壓電雙晶片（bimorph），并應(yīng)用于壓電能量收集器。壓電雙晶片具有兩個(gè)壓電層，其形狀和組裝方式可以最大限度地提高能量收集效率。傳感器或能量采集器在工作時(shí)會(huì)造成壓電雙晶片結(jié)構(gòu)的彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生電信號以用于測量或充當(dāng)電源。

不幸的是，上述功能在高溫環(huán)境下工作效率較低。目前最先進(jìn)的壓電能量收集器的最大有效工作溫度范圍通常限制在176華氏度（80攝氏度）到248華氏度（120攝氏度）。

“壓電材料的一個(gè)基本問題是，當(dāng)溫度超過120攝氏度時(shí)，其性能開始顯著下降，到200攝氏度以上時(shí)，其性能幾乎完全喪失?！盦orTek公司首席技術(shù)官Gareth Knowles說道，“我們的研究為美國宇航局提供了一種可行的解決方案?！?br />
研究小組開發(fā)的新型壓電材料在高達(dá)250攝氏度的溫度環(huán)境下表現(xiàn)出近乎恒定的有效性能。此外，研究人員在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》（Journal of Applied Physics）上介紹說，雖然在高于250攝氏度的溫度下，這種材料的性能會(huì)逐漸下降，但在高于300攝氏度的溫度下，作為能量收集器或傳感器仍然有效。

Gareth Knowles繼續(xù)說：“這種新型復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的性能與在室溫下一樣好，這還是第一次！因?yàn)閺膩頉]有人能夠研發(fā)出在如此高溫下有效工作的壓電材料。”

將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的壓電能量收集器示意圖

這種材料的另一個(gè)好處是大幅提升了能量收集器的發(fā)電能力。Clive Randall稱，雖然目前壓電能量收集器還沒有達(dá)到太陽能電池的發(fā)電水平，但這種新型材料的性能足以為其他應(yīng)用打開可能性。

Clive Randall說：“這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)電能力令人印象深刻，表現(xiàn)出創(chuàng)紀(jì)錄的性能效率。這將有可能在黑暗或隱蔽的環(huán)境中（例如在汽車系統(tǒng)內(nèi)，甚至人體內(nèi)）實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無電池供電?！?br />
Clive Randall和Gareth Knowles都指出，賓夕法尼亞州立大學(xué)和QorTek公司之間的合作關(guān)系可以追溯到20多年前，通過互補(bǔ)彼此的資源，開發(fā)出新型/改進(jìn)的壓電材料。

Gareth Knowles表示：“總體上，這種合作關(guān)系的一大好處是，你可以利用賓夕法尼亞州立大學(xué)在該領(lǐng)域擁有的巨大知識庫，而像我們這樣的小公司有時(shí)則沒有。另一個(gè)好處是，大學(xué)通常擁有一些物理資源，比如重要的工藝設(shè)備，而這些資源在一家小公司里通常是找不到的。”

Clive Randall指出，由于QorTek公司有許多員工都是賓夕法尼亞州立大學(xué)的校友，因此他們對研究主題和相關(guān)人員都很熟悉。

Clive Randall繼續(xù)說：“我的一位博士后研究員、論文第一作者Wei-Ting Chen被QorTek公司聘用，因此在這種情況下可以轉(zhuǎn)移專業(yè)知識。此外，QorTek公司提供的技能，例如機(jī)械工程、器件設(shè)計(jì)和測量專業(yè)知識，推動(dòng)了研發(fā)速度（遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于我們的預(yù)期）。因此，這種伙伴關(guān)系使該項(xiàng)目得到了真正卓有成效的擴(kuò)展?！?br />
美國宇航局的小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目和國家科學(xué)基金會(huì)資助了這項(xiàng)研究工作。

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