压电及挠曲电俘能器性能分析

【作者】 梁旭； 胡淑玲； 申胜平；

【机构】 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室； 西安交通大学航天航空学院陕西省航天结构振动控制工程实验室；

【摘要】 压电材料由于力电耦合效应,可实现机械能与电能之间的相互转化。晶体学理论严格限制具有非中心对称结构的材料才可能具有压电效应,非均匀变形例如应变梯度能够局部的破坏材料的局部反演对称,在所有介电材料中产生极化,这称为挠曲电效应。挠曲电效应是一种普遍存在的力电耦合效应,在微纳尺度尤为明显且不可忽视。针对纳米压电俘能器件,挠曲电效应显著影响电路电压、输出功率,同时挠曲电效率提供了微纳尺度将机械能转换为电能的全新的途径。我们建立了俘能器的理论模型,系统研究了挠曲电效应对弯曲纳米线和纳米薄膜力电耦合行为的影响,重点研究了挠曲电效应对纳米俘能器输出电压、功率的影响。研究结果表明挠曲电效应显著提升了纳米俘能器的俘能效率,静态结果显示挠曲电显著提高了纳米俘能器的输出电压,而动态结果表明挠曲电效应显著提高了纳米俘能器的电路电压和输出电功率。进一步我们给出力学极限情况下俘能器的最大输出电压、电路电压以及功率。上述研究工作为挠曲电电子器件设计提供了详细的理论基础。更多还原