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用前景，但通常在高溫條件下性能會變得很差，限制了其在發(fā)動機、太空探索等惡劣環(huán)境中的應用。然而，賓夕法尼亞州立大學(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材料研究所(MRI)的負責人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地區(qū)為電子設備供電。”Clive Randall說，“他們還需要自供電傳感器，以監(jiān)測發(fā)動機的工作穩(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)的壓電器件通常會因為高溫而失效。”

壓電材料在振動或運動過程中由于機械力(例如來自發(fā)動機)的作用會壓縮或拉伸，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)等個人電子設備提供電能。

上述研究小組將新材料制作成壓電雙晶片(bimorph)，并應用于壓電能量收集器。壓電雙晶片具有兩個壓電層，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會造成壓電雙晶片結構的彎曲，進而產(chǎn)生電信號以用于測量或充當電源。

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)。

“壓電材料的一個基本問題是，當溫度超過120攝氏度時，其性能開始顯著下降，到200攝氏度以上時，其性能幾乎完全喪失。”QorTek公司首席技術官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。”

研究小組開發(fā)的新型壓電材料在高達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《應用物理學雜志》(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!因為從來沒有人能夠研發(fā)出在如此高溫下有效工作的壓電材料。”

將機械振動轉換為電能的壓電能量收集器示意圖

這種材料的另一個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用打開可能性。

Clive Randall說：“這項技術的發(fā)電能力令人印象深刻，表現(xiàn)出創(chuàng)紀錄的性能效率。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，甚至人體內)實現(xiàn)連續(xù)、無電池供電。”

Clive Randall和Gareth Knowles都指出，賓夕法尼亞州立大學和QorTek公司之間的合作關系可以追溯到20多年前，通過互補彼此的資源，開發(fā)出新型/改進的壓電材料。

Gareth Knowles表示：“總體上，這種合作關系的一大好處是，你可以利用賓夕法尼亞州立大學在該領域擁有的巨大知識庫，而像我們這樣的小公司有時則沒有。另一個好處是，大學通常擁有一些物理資源，比如重要的工藝設備，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的校友，因此他們對研究主題和相關人員都很熟悉。

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移專業(yè)知識。此外，QorTek公司提供的技能，例如機械工程、器件設計和測量專業(yè)知識，推動了研發(fā)速度(遠遠快于我們的預期)。因此，這種伙伴關系使該項目得到了真正卓有成效的擴展。”

美國宇航局的小企業(yè)技術轉讓項目和國家科學基金會資助了這項研究工作。