压电材料与器件在电气工程领域的应用

压电材料与器件在电气工程领域的应用

马帅

身份证号： 64032219900510****

摘要：全球第四次工业革命正极大地改变电力能源生产和传输方式，引发了电力能源行业与物联网深度融合，使得能源互联网建设成为我国新基建的迫切需求。能源互联网是建立在传感器全面感知电网中源、网、储、荷电力设备的运行状态信号基础上的智能互联，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等特征，是应对外部数字经济、互联网经济等社会经济形态变革和电网复杂程度增大等内部电网形态变革的核心举措。随着电网形态逐渐由建设周期转向维护周期，实现能源互联网除了构建灵活、稳定、安全的能源网络，更加重要的在于电网状态量的实时测量与反馈调整，进而结合后续分析算法实现信息的智能感知和故障的智能自愈。通过先进的传感和量测技术对电力设备状态进行感知，是构建泛在能源互联网大数据资源的基础。

关键词：压电材料;器件;电气工程领域;应用

引言

压电材料是指在受到外界应力作用时会在材料两端面间出现电压差，或者在外界电场作用下材料会发生形变的一类功能材料。该材料的这种压电特性是其内部应力和极化密度分布不均而造成的，从而可以实现电场与应力场的相互转换。从材料的组成上可以将压电材料分为:无机压电材料、有机小分子压电材料、聚合物压电材料和压电复合材料。无机压电材料主要包括石英、锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅(PMN)及其衍生物等具有特殊晶体结构的无机化合物材料，虽然此类压电材料具有较高的压电系数(50～300pC/N)，但材料的脆性较大，很难通过较大的形变量来产生较高的电压输出。

1压电材料

1.1PVDF基压电复合材料

目前，聚合物基压电复合材料所使用的基体材料大多是以PVDF为主。PVDF是一种压电性能良好的压电材料，相比于传统的陶瓷压电材料，PVDF具有压电系数高、生物兼容性好、频响宽、柔韧性高及易加工等优点[3]。此外，PVDF可以形成多种不同的晶型结构，最常见的晶相α相、β相、γ相和δ相，其中，拥有极性晶体结构的β相PVDF可以表现出较强的压电性[4]，因此，提高PVDF材料压电性能的关键就在于提高β相含量。如何有效增加PVDF中β相含量成为研究的重点，寻找一种能够较大幅度提升PVDF材料压电性能的添加材料也是研究的方向之一。PVDF基压电复合材料，即以PVDF为基体，金属氧化物、压电陶瓷、金属粒子、Gr、CNTs等为填料，将两者进行复合制备出PVDF基压电复合材料，能够使聚合物PVDF的压电性得到良好的改善。

1.2有机压电材料

有机压电材料因其良好的机械特性，被广泛用于柔性传感器件中。其中，聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，PVDF）是最为典型的有机压电材料，其压电性来源于全反式构象的β晶相（一般经应力拉伸产生），β相含量占比越高压电性能越好。因其柔性好、机械强度高（杨氏模量约2500MPa）、压电电压常数高、谐振频带宽和机械阻抗低等优点，PVDF被广泛用于压电电声传感器、压电压力波传感器等柔性器件中。然而，PVDF等有机压电聚合物材料压电系数普遍较低（如PVDF的压电系数d33约28pC/N），且熔点和居里温度在170℃以下，其作为压电材料的有效使用温度上限普遍低于100℃，限制了高温环境下的应用。因此，如何提高压电系数和扩宽使用温度范围，是PVDF等有机压电材料的重要发展方向。

1.3压电陶瓷

压电陶瓷，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)、铌酸钾钠(KNN)等虽不易加工，却具有压电性能优异、介电损耗低、机电耦合系数和介电常数高等优点。根据有效介质理论，在聚合物基体中引入高介电常数、高压电常数的陶瓷填料有利于提高复合材料的电性能。这也是目前研究最广泛的提高PVDF压电性能的方法。TIAN等通过非溶剂诱导相分离联合高压结晶的两步法制备了一种独特的富含片晶结构的类千层饼状柔性PZT/PVDF压电复合传感器，并成功演示了其在指导个性化乒乓球训练中的应用。利用该独特结构所具有的层间电势累积效应和快速的应力释放，该传感器表现出了优异的灵敏度(6.38mV/N)，超快的响应时间(21ms)，且具有较好的机械稳定性。

2压电传感器件在电气工程中的应用

2.1压缩式压电加速度传感器

压缩式压电加速度传感器。其由压电材料、基座、质量块、弹簧、螺栓等构成，压电材料位于质量块和基座之间，螺栓对传感器整体起机械支撑作用。当传感器受到外部加速度作用时，质量块会在压电材料上施加与输出信号成正比的压力，质量块的质量越大，压力越大，输出信号也越大。根据传感器振动模式可以发现，压电材料输出电压方向与受力方向相同，压缩式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d33影响。选用PVDF压电振动传感器监测SZ451型（正伞型）500kV双回路高压输电杆塔及输电杆塔固有频率的变化，进而评估杆塔机械强度。另有研究人员[28-30]将PZT压电振动传感器用于螺栓松动检测，利用压电导纳谱的峰值频率表征螺栓预紧力状态。压缩式加速度传感器通常能承受很大的加速度冲击，而由于压电材料和基座直接连接，在强冲击下基座应变和压电材料形变会导致传感器输出信号发生零点漂移和温度漂移。选取弹性模量较高的材料或者选用剪切式压电加速度传感器（基座不与压电材料直接接触），可在一定程度抑制漂移现象。

2.2场效应晶体管

基于压电效应的场效应晶体管采用传统晶体管中的应力而不是栅格压力来调节半导体内载流子的运输性质。很难在整个平面中诱导相同极性的极化载荷来参与栅格压力的调节。解决方法是在z轴的不对称方向(例如BP或In2Se3)上使用多层二维压电材料，以便在平面外产生相同的极化载荷。其结构可以设计为参考氧化锌型场效应晶体管的结构，Chen等采用MoS2作为半导体材料，氧化铝作为绝缘层。在氧化铝表面生长的ZnO网络被用作压电材料。在外部施加压缩约束时，ZnO和Al2O3接口会产生正极性负载。这种极性负载通过电磁感应在MoS2和Al2O3接口上激发电子，并可能在外部源泄漏的极限电压下产生额外电流。这种场效应晶体管装置对外力极为敏感。.

结束语

压电材料及其传感器件广泛应用于电力设备振动、声、电压传感领域，为能源互联网智能感知、泛在互联提供保障。但面向规模不断扩大的智能电网系统，压电传感器环境适应性差、误判率高、稳定性差等方面的问题仍亟待解决。特定应用场景需要压电材料实现压电系数、居里温度、机电耦合系数等压电性能协同提升，而新材料开发面临制备周期长、试错成本高等难题。基于机器学习人工智能方法，结合高通量批量化制备和表征手段，实现高性能环境友好型压电材料组分快速寻优，是未来压电材料发展的趋势。

参考文献

[1]吴横.聚丙烯腈基复合压电材料制备及其性能研究[D].天津工业大学,2019.

[2]王明贵,韩杰,郭荣.压电效应增强光催化性能探究[A].中国化学会.中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议论文（摘要）集（第二卷）[C].中国化学会:中国化学会,2019:2.

[3]赵迎宾,王佳杰,王涵,刘梦瑶,张桐桐,柳彬德.基于压电发电的智能路面系统[J].物联网技术,2019,9(07):7-16.

[4]蔡靖.高性能压电复合材料研究[D].重庆大学,2019.

[5]李立宏,一维多元铌酸盐负载金属纳米晶的合成及打印柔性压电材料应用.北京市,中国科学院化学研究所,2019-03-26.