电活性聚合物发电基本原理及应用研究.doc

电活性聚合物发电基本原理及应用研究林桂娟，刘刚，宋德朝（厦门理工学院 机械系，福建 厦门 ；同济大学 机械工程学院，上海 ）摘 要：剖析了电活性聚合物在静电场中机械能和电能相互转换的内部机理，主要针对电活性聚合物发电原 理进行分析研究。 在不考虑能量损耗的理想前提 下，探讨电活性聚合物在发电过程中 种能量循环过程。 最 后， 采用丹佛斯生产的电活性聚合物（）材料，建立了电活性聚合物发电机实验装置平台，分析恒电荷状态下收集 能量过程。 试验验证了电活性聚合物发电原理。 实验结果表明，作为新型智能材料的电活性聚合物在发电应用领 域前景广阔。关键词：电活性聚合物（）；能量收集循环；麦克斯韦应力；恒电荷中图分类号：文献标识码： ， ， （， ，；，）：（） ； ， ， ； ， ：（）；域的研究一直处于远景应用方案设计阶段。近年来，美国 、伊利诺斯州大学、丹麦 公 司、丹 麦 科 技 大 学、挪 威 科 学 技 术 大引言近 年 来，新 型 智 能 材 料电 活 性 聚 合 物（），因其 独 特 的 电 性 能 和 机械性能而崭露锋 芒。电活性聚合物是指在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料。与传统的压电材料相 比，这种聚合物材料 具 有应 变 能力 强，最 大 可 达，驱动效率高，抗振 性 能 好，且 质 量 轻，密 度 低，耐 冲 击，性 能 高，是 具 有 发展潜力的仿生材料。对电活性聚 合 物 研 究 主 要 集 中在其性能和驱动领 域。电活性聚合物在材料合成制备和加工方面都有进步，如美国 斯 坦 福 研 究 院 （）及丹麦丹佛斯公 司都致力于相关方面的研究。 目前，这类材料已广泛应用于各个领域，展现出良好的应用前景，如微型 机械中致动器及传感器，但其在发电 领学 德国、日本 等 开 始 涉 足 电活性聚合物发电领 域的研究。已 研 发 出 波 浪 发 电 “浮 标”和 足跟踩踏 发 电 机。 德 国 的 等 在 人 体膝盖关节安装电活性聚合物发电装置，在行走过程收集能量 。 国 内 同 济 大 学 开展了电活性聚 合物发电的研究。本文分析了电活性聚合物发电的 基本原理，构建电活性聚合物发电实验模型，推动电 活性聚合物发电产业化应用研究。电活性聚合物发电的基本原理在电活性聚合物材料的上下表面涂覆屈从电极 材料（如碳、石墨或银粉），形成基于麦克斯韦效应的收稿日期：作者简介：林桂娟（），女，江西萍乡人，讲师，博士生，主要从事微机电系统及控制技术、智能控制、机械设计制造及其自动化技术等的新型压电材料，具有正逆压电效应特性。 在施加电场时产生伸缩变形，在施加压力时产生电压，能实现 电能向机械能的转换，也能通过其大变形实现机械 能向电能的转换。 因此，电活性聚合物发电可简化 为如图所示的可变电容发电。当电活性聚合物两 端所加电压产生的电场力小于其弹性恢复应力极限 时，出现逆压电效应特性。 电活性聚合物发电就是 利用逆压电效应把机械能转换成电能。行了压缩，原来储存在其中的机械弹性能就转换成电能了。从微观角度说，由于电活性聚合物薄膜厚 度（即方向）的增加致使了正负电荷距离拉大，同 时因为电活性聚合物薄膜面积的压缩，从而相同电 荷（正电荷或是负电荷）距离缩小，这些变化都致使 电活性聚合物两端的电压和储存的电能急剧提高。 根据式（）可得，电容器从状态 到状态 时，电容 器的厚度 变厚，电极表面面积 变小，电容就变 小，根据式（）就得出电容器中储存的能量增加了。 由此得出从状态到状态的发电过程中所产生的 电能为（ （ ）（） 为状态下电容器的 电 容 及 电 压；、图电活性聚合物能量转换图 为状态下电容器的电容及电压。 结合式（）、（）、（）就可计算出转化出的电能大小。如图所示，由于电活性聚合物组成的平板电容在外界力 作 用 下 产 生 变 形 时，其 电 容 发 生 改 变。平板电容器的电容为电活性聚合物发电能量循环的研究在电活性聚合 物 发 电 过 程 中，状 态 到 状 态 为能量收集过程，根据操作的不同，能量循环过程分 为恒 电 荷、恒 电 压、恒 电 场 的 能 量 收 集 过 程。 对 式（）取微分得 （）沿电力线方向的应力 （）（）式中： 为柔性电极表面面积； 为真空介电常数 ； 为绝缘常数； 为电场强度； 为施加电压； 为电力线方向的材料厚度。假定电活性聚合物不可压缩性，其中 为电活 性聚合物体积，故将 代入式（）得： （） 在不考虑能量的消耗条件下，参照文献可得恒电压、恒电荷、恒电场能量收集过程电能与应变关系分别如图所示。 （）而电活性聚合物平板电容器的能量为 （） 式中 为电容所带电量。由图可看出，电活性聚合物发电的 个循环 过程：拉伸 充电放松放电。在状态（其电容及电 压为、）已经进行了个方向的预拉伸，状态 到状态（其电容及电压为 、）只是进行了两个 方向的 预 拉 伸，即 从 方 向 、 拉 伸 了，但 沿 方 向 压缩了，从而使外力做功转换成弹性能储存在电 活性聚合物中；状态 到状态 一定需要施加高压 静电场去激活上下表面柔性电极的电荷，这与压电 陶瓷发电有本质区别；此时电活性聚合物在厚度方向 收缩，同时沿着面积 方向进行扩展，直到电 活性聚合物 中 的 麦 克 斯 韦 应 力和弹性应力达到平 衡；状态到状态就是机械能向电能转化过程，当 撤销加载在电活性聚合物上的外力时，电活性聚合 物在厚度 方 向 伸 展，而 同 时 沿 着 面 积 方 向 进图能量转换图（恒电荷、恒电压及恒电场）考虑到电活性聚合物在充电和放电过程中，能量和变形有细微的变化，所以与文献略有不同。 恒电压、恒电荷、恒电场种状态下的一次循环收集 的电能分别为 （）（）（） （） （）（）（）（ ）（） （）（）其中（） （） 由此可见，恒电压和恒电荷收集过程中转换的能量相同。由于实验条件的限定，本论文主要研究 恒电压和恒电荷情况。电活性聚合物实验模型根据前面介绍的电活性聚合物发电原理，在此 采用丹佛 斯 生 产 的 ， 搭建了电活性聚合物风力发电机实验装置平台。实 验装置主要包括两大部分机械结构与控制电路。图电路原理图实验数据及结果分析实验过程中恒电荷能量收集过程实现较好，本 实验主要进行了恒电荷能量收集实验。假设图中 的高压电源一直供电时，在电活性聚合物拉伸和压 缩过程中不断有电荷补充给它，所以大致认为其过 程为恒 电 荷 状 态。 在 实 验 过 程 中，当 输 入 高 压 电 时，从示波器 中 测 得 一 次 循 环 过 程 时 电 压 波 形及不断循环运动过程电压波形图，如图所示。实验装置在本实验装置的设计中，机械结构包括：）收集风 能 的 机 械 装 置。 实 验 装 置 中 采 用 一 般风扇叶片，如图所示。图风力发电实验装置）机械结 构 转 换 装 置。 该部分利用一 对 滚 珠轴承、曲柄连杆机构，把风扇的旋转运动转换成电活 性聚合物的垂直往复运动。控制电路部分包括：）电活性聚 合 物 提 供 高 压 激 励 直 流 电 压 的 供 电电路。）电活性聚合物所产生的电能的储能电路、测 试、耗能电路。图恒电荷下单次循环运动的输出电压及循环运动的输出电压由图可看出，电活性聚合物从伸展状态充电后，让其收缩，电阻 两端的电压迅速增大左右，之后慢慢回落到初始 电压状态，图中显示为一部分直流电压上面叠加交流电压。根据图可对应出实际上电活性聚合物上面的电压也是 一部分高压叠加交流电压，呈现交流电往复交变形 式。在从最长的拉伸状态回到压缩时电压升 高了 左右，即为图中点的电压最高电压 为（）左右，故最低电压为高压 供电电源的电 压，谷 峰 电 压 为 ；同 时，在 实 验 过程中可看到图中的 二极管不停闪烁。 从 实验数据分析可得出，叠加的交流电压部分实际上 就是电活性聚合物不断往复的拉伸收缩运动过程， 把外部的机械能转换成的电能。图为输入高压瞬间通电后就切断高压供电电 源时的电压波形图。 由图可知，外界输入的高压供控制电路本实验装置中，直接利用电源模块将 的 交流电转换成 的直流电源。 另一部分 用来监测电活性聚合物两端电压的变化。图为电 路原理图。由图可知，通过高压二极管将供电电源 与电活性聚合物产生的电源隔离，为更好地展示电 活性聚合物发电原理，通过 个电阻分压测量电活 性聚合物上的电压波形图。实验装置采用示波器监 测 上的电压，同时用一个 灯显示 所 产生的能量。电电源一旦切断，其电压迅速下降。 但由于电活性聚合物的不断伸展收缩运动过程产生电能，同时电 路中的电阻和二级管等元器件消耗能量，使其电压 波形呈现图中的形状，直至最后所有的能量都被电 路消耗，其电压就回到零状态。目前的实验装置，为 充分验证电活性聚合物发电，没有设计电能的存储 电路。本实验装置的实验数据中，电活性聚合物产 生的电能不多，为加大发电功率和能力，应合理设计 机械部分和 控 制 电 路，获 取 丰 富 的 地 球 风 能、海 洋 能、地热能等，开辟可持续发展、环保节能、可再生的 绿色新能源。（），： ， ， （） ：（），： ， ，（）：， ， ： ，： ， ， ： ： ，： ，：， ， ： ，：图结束语瞬间通电时输出电压波形图从理论分析了电活性聚合物发电的基本原理，探讨电活性聚合物发电过程中能量循环过程。采用 丹佛斯生产的 材料，构建了电活性聚合物风 力发电机实验平台，实验结果充分证实了电活性聚 合物发电的原理。随着电活性聚合物材料制造工艺的日趋成熟， 该材料在发电领域具有广阔的应用前景。世界上一 些国家已经加大这方面的研究资金和力量。国内有 关电活性聚合物材料及技术的研究逐渐引起重视， 陆续有大学 和 研 究 机 构 开 展 材 料 及 驱 动 应 用的研究。一旦国内在电活性聚合物材料制备工艺 及相关技术上有突破性进展，必将带动其发电领域 的迅速发展，制造形式多样、低成本、高效率、节能环 保的新型发电机，对人类的可再生能源产业和社会 发展具有重要意义。参考文献：， ， ： ，：， ： ，：，： ， ， ： ， ，： ， ， ：（ ）， ，：（下 转 第 页 ） ， ， ： ，（）： ， ： ，： ，：陈良，孔占兴，梁迪飞，等 取 代 对 铁 氧 体 材 料截止频率 的影响功能材料，（）：杜巍，张怀武，何 欢预 烧 温 度 和 烧结温度对功率镍锌 铁氧体磁 性 能 的 影 响 磁性材料及器件，（）： ， ， ，（）： ， ， ， ，：韩 志 全，廖 杨，冯 涛缺 铁 量对氧化物法低温烧结 铁氧体电磁性能的影响磁性材料及器件，（）： ， ， ，（）：黄皎敏高 高 铁氧体 研 制成 都：电子科技大学，：张有纲，黄永杰，罗 迪 民磁 性 材 料 成 都：电 讯 工 程学院出版社，：图 不同（）（）样品的磁滞回线结论）微观结构 对 样 品 的 起 始 磁 导 率 和 矫 顽 力 影响较大，适当提高烧结温度，使晶粒更致密，可获得良好的电磁性能。） 含 量 对 样 品 的、 和 均 有 较大影响，应 根 据 材 料 具 体 要 求 选 择 合 适 的 含量。）合适的（）（）可以改良样品的内 禀特性，但 的过量加入 会 导 致 样 品 的 和 迅速降低，恶化电磁特性。参考文献： ， ， ，（）： ， ， ，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶