聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

武丽明，张晓青

(同济大学 物理科学与工程学院,上海市特殊人工微结构材料及技术重点实验室,上海 200092)



聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

武丽明，张晓青

(同济大学 物理科学与工程学院,上海市特殊人工微结构材料及技术重点实验室,上海 200092)

以线性聚丙烯(PP)为原材料，经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后，使其具有压电效应，并将其应用在振动能量采集器中。结果表明，PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4 GPa-1，利用面积为3.14 cm2单层膜进行能量采集，当振子质量为25.6，33.7和57.7 g时，其共振频率分别为2 300，2 000和1 800 Hz，在各自的匹配负载条件下，获得的输出功率分别为10.1，13.2和16.9 μW/g2。将两片PP膜电学串联，当振子质量为33.7 g时，在共振频率1 400 Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下，可以获得的输出功率为15 μW/g2。

聚丙烯；压电驻极体；能量采集

0　引　言

压电驻极体(piezoelectrets)兼有铁电材料和空间电荷驻极体的特点，因此也称为铁电驻极体[1-2]，是一类新型的人工智能和新能源材料[3-7]。和陶瓷材料相比，线性聚丙烯(PP)压电驻极体膜不但具有强的压电效应，同时还具有价廉、质轻、柔韧、低声阻抗等特点，因此被广泛应用于制备柔性薄膜力传感器、柔性场效应管、空气耦合超声波检测和成像系统等[4-5,8-12]。

近年来，随着超低功耗电子器件在无线传感器网络、嵌入式系统、射频识别、无线通讯等方面的应用，通过采集环境振动能来实现传感网络节点的自供能和其它便携式电子器件的自供能成为了学术界和工程领域的热点问题。

压电驻极体已经被应用于振动能量采集器中，向低功耗电子器件提供电能[5,13-14]。前期研究表明压电驻极体准静态d33数值远远高于PVDF，同时，机械品质因数(FOM，d33·g33)是衡量压电材料产生电能大小的一个很大因素，其中PP压电驻极体的品质因数(约8.6 GPa-1)比聚偏氟乙烯铁电薄膜PVDF(约0.0091 GPa-1)高出几个量级以上[17-18]，所以压电驻极体相对于PVDF等材料在能量采集中具有更明显的优势[19]。近期的文献报道中，在{3-3}振动模式下，以PP膜或聚全氟乙丙烯(FEP)为原材料，输出能量大约为10 μW/g2[13-15]。

经过前期基础的研究，发现PP膜本身具有良好的机械性能以及电学性能[4]，因此，本文中以PP膜为研究对象，研究该材料在{3-3}模式下的振动能量采集，并将实验结果与理论值进行比较、讨论。

1　实　验

1.1样品的制备

本实验以50 μm厚的市售PQ50多孔膜为原材料。将样品膜剪成10 cm×15 cm的长方形[4]。然后利用压力膨化工艺，将样品放置在压力为1.9 MPa，温度为110 ℃的高压釜中，保温3.5 h，随即将高压釜内的压力迅速降至环境气压，将样品取出，冷却至室温[4,12]。

为了使样品具有压电效应，必须对经过膨化处理后的PP膜进行极化。极化时，电晕电压和栅网电压分别为-25和-10 kV，充电时间为60 s。极化处理完成后，在PP膜两面真空蒸镀直径为20 mm，厚度约为100 nm的圆形铝电极。

1.2准静态压电系数d33的测量

本文采用准静态法测量PP膜的准静态压电系数d33，测量过程如下：首先将样品膜放置在试样架上，把质量为m的砝码放在样品上，然后迅速移去砝码，利用静电计(Keithley 6514)来测量在卸载过程中样品膜上下电极的感应电荷的变化量Q，利用式(1)来计算出样品的准静态压电系数d33。

(1)

其中g为重力加速度[20]。PP膜的准静态压电电压常数g33是根据式(2)计算所得

(2)

其中ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数。

1.3PP膜复电容谱的测量

(3)

其中，C′,C″,ε,ω,A，t和fa分别是电容实部,电容虚部，介电常数，角频率，样品面积，样品厚度和反谐振频率。

PP压电驻极体膜厚度方向的弹性模量Y3的计算式为

(4)

其中，fa为PP压电驻极体膜的反谐振频率，ρ为测量样品的体密度，t为测量样品的厚度。

1.4PP膜能量采集的测量

图1[23]为测量PP能量采集器输出能量的装置，如图所示，压电薄膜放在振动台上，质量为m的振子放在压电薄膜上，并且将PP压电薄膜与不同的负载相连，当信号发生器产生的不同频率的信号时，通过功率放大器驱动振动台，同时通过电荷放大器来采集在振动过程中经过不同负载Rl所产生的感应电荷量。利用振动计(VM-6370)测量加速度a。

图1　能量采集测试系统的示意图[23]

Fig 1 Schematic of setup for measurementing the output power from energy harvesters[23]

2　结果与讨论

2.1微观形貌

图2所示为PP样品膨化前后的SEM对比图，其中图2(a)为膨化之前PP膜的孔洞结构，此时样品的厚度约为50 μm，内部孔洞较紧实，图2(b)为膨化后的样品，经过压力膨化工艺，PP膜的微观结构及形貌特征发生改变，厚度增加到80～90 μm，薄膜内部孔洞张开，此种形貌有利于提高PP膜的电极化能力和降低膜厚度方向的杨式模量，进而增强PP膜的压电效应[3, 12]。

图2　PP样品膨化之前与膨化之后的SEM图

Fig 2 SEM images of the cross-sections for PP film as received and after pressed gas expansion treatment

2.2介电谱

图3为PP压电驻极体样品在双面自由振动的厚度(TE)模式下得到的复电容随频率变化的曲线图。其中，PP样品膜的准静态d33为300 pC/N，厚度约为76 μm，电极面积为3.14 cm2,测量频率范围为1 kHz到1 MHz。由图3中可以看出，样品在1 kHz下的电容约为47 pF，样品的反谐振频率为380 kHz，由式(2)可以计算得到PP膜厚度方向的弹性模量Y3=1.7 MPa。利用具有复数处理能力的拟合软件，采用最小二乘法对复电容数据进行拟合[22]，可以得到样品在1 kHz下的相对介电常数εr和机电耦合系数kt分别为1.7和0.05，谐振频率下的动态d33=194 pC/N。

图3　PP压电驻极体样品复电容谱图

Fig 3 Dielectric resonance spectrum for an PP piezoelectret sample

当输入的机械力为定值时，可以用压电应变系数d33和压电电压系数g33的乘积来表征压电材料的品质因数(FOM=d33·g33)[19]，g33=d33/ε0εr，其中ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数。对于面积和厚度相同的样品,当振动频率和振子质量为定值时，品质因数较大的样品会产生更多的能量[13]。计算可得PP样品的品质因数FOM为8.4 GPa-1，该值比聚偏氟乙烯(PVDF)铁电聚合物膜高两个量级以上[18]，说明PP压电驻极体在能量采集的应用中有一定的优势。

2.3能量采集

图4为单层PP膜的电荷灵敏度曲线。

图4　PP压电驻极体电荷灵敏度

Fig 4 Normalized charge sensitivity as a function of vibration frequency at various load resistances

图中不同负载电阻跨接在样品的俩电极上，测量不同振动频率下流过负载电阻的电荷量，并对所得到的电荷量进行归一化处理，得到电荷灵敏度曲线。测试所用PP样品的准静态d33为300 pC/N，电极面积为3.14 cm2，1 kHz下的电容值为47 pF，振子质量为25.6 g。在共振频率与匹配负载的条件下，能量采集器可以输出最大的功率。利用[13]

(5)

其中，m为振子质量,t为薄膜厚度，可以计算出样品的共振角频率ω0。

经过测量可以得出该样品的共振频率为2 000 Hz，同时根据式

(6)

其中，C为样品的电容。

可以计算出该样品的最佳负载为1.6 MΩ。

图5为单层PP膜在最佳负载下的能量采集曲线，PP压电驻极体样品的面积为3.14 cm2，准静态压电系数d33为280 pC/N，在1 kHz下的电容为59 pF。在短路条件下，通过测量样品的输出电荷与振动频率之间的关系，可以获得不同振子质量样品的共振角频率，根据式(4)可以计算出匹配负载电阻，从而选取最佳负载进行测量。振子质量为25.6，33.7和57.7 g时，共振频率分别为2 300，2 000和1 800 Hz，匹配负载分别为910 KΩ，1.6和2.4 MΩ。从图5中可以看出在低于共振频率时，输出功率随着频率的增加而增加，当高于共振频率时，输出功率急剧下降。并且随着振子质量的增加，测量过程中的共振频率逐渐降低。

图5单层PP压电驻极体膜在最佳负载条件下，经归一化后输出功率与振动频率之间的关系。其中散点为实验数据，实线为拟合曲线

Fig 5 Normalized output power as a function of vibration frequency for a single-layer PP films at various seismic mass. Scatters are the experimental data, the solid lines are fit curves

其中输出功率Pout的计算公式为[13]

(7)

其中，I是流过负载的电流,ω是振动的角频率，Rl为实际负载电阻。将其进行归一化处理，则输出功率Pn为

(8)

其中，g=9.8 m/s2为重力加速度，a为实际加速的有效值。经计算，在匹配负载的条件下，不同的振子质量分别可以获得的最大输出功率是10.1，13.2和16.9 μW/g2。

将实验结果进行了拟合处理。Pondrom等提出的基于压电驻极体的能量采集器在{3-3}模式下，输出功率的表达式为[13,23]

(9)

其中，ζm为机械阻尼系数，Rc=1/ωC，C为样品和寄生电容的总和。

利用式(7)对所得到的实验数据进行拟合，如图5中的实线所示。由此获得的压电系数和机械阻尼系数分别在170～180 pC/N和0.07～0.09之间(其它数据采用测量值)。拟合得到的动态压电系数比准静态压电系数小，这与文献中的相关报道一致[2-3]。

由于环境振动源的频率有一定的分布，所以要求振动能量采集器在较大的频率范围都能有效的俘获振动能。本研究中，采用3 dB带宽比来表征压电驻极体振动能量采集器的带宽。经过计算发现，当振子质量分别为25.6，33.7和57.7 g时， 振动能量采集器的3 dB带宽比率分别为15.5%，15.6%和17.8%。3 dB带宽比的数值随着振子质量的增加而增大，这可能与较大的振子质量导致系统的机械阻尼系数增强有关。

图6双层PP归一化后输出功率与振动频率之间的关系

Fig 6 Normalized output power as a function ofviberation frequency for a double-layer stacks of PP films

2.4利用能量采集器为电容器充电

为了演示能量收集器的效果，利用PP压电驻极体能量采集器收集到的能量给不同电容值的电容器进行充电：在1.9 kHz的振动频率下，分别给6 800，2 200和470 μF的电容器进行充电，结果如图7所示。图8为电容器充电的原理图：PP压电驻极体在振动的激励下产生的交流电经过整流电桥后转换为直流电，然后与电容器相连。

图7　PP膜充电不同电容值的电容器

Fig 7 Voltage as a function of time for capacitors charged by PP piezoelectrets based energy harvesters

图8　PP膜能量采集给电容器充电的原理图

3　结　论

多孔PP薄膜经压缩气体膨化工艺处理及恰当的极化后具有显著的压电效应，可以将其应用在振动能量采集器中。通过测量发现，PP压电驻极体在1 000 Hz下的相对介电常数εr为1.7；机电耦合系数kt为0.05；厚度方向上的弹性模量为1.7 MPa;机械品质因数(FOM,d33·g33) 为8.4 GPa-1。利用单层膜进行能量采集，当振子质量为57.7 g，在1 800 Hz共振频率和2.4 MΩ的最佳负载下，可以获得的输出功率为16.9 μW/g2。将两片PP膜进行电学串联，当振子质量为33.7 g时，在1 400 Hz共振频率和4.3 MΩ的匹配负载下，可以获得的输出功率为15 μW/g2。基于PP压电驻极体的能量采集器可为低功耗电子器件提供电能。

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Vibration-based energy harvesting with polypropylene

WU Liming, ZHANG Xiaoqing

(Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology & School of Physics Science and Engineering,Tongji University, Shanghai 200092, China)

Cellular polypropylene (PP) films were rendered piezoelectric after pressed gas expansion treatment and proper polarization, and applied in vibration energy harvesters. The results show that Young’s modulus in thickness direction determined from dielectric resonance spectra, and the figure of merit FOM (d33·g33) are 1.7 MPa and 8.4 GPa-1, respectively. For a PP film sample with a quasi-static piezoelectricd33coefficient of 280 pC/N, area of 3.14 cm2, and capacitance of 59 pF at 1 000 Hz, a normalized output power of 16.9 μW/g2was obtained under conditions of a seismic mass of 57.7 g, a matched load resistance of 2.4 MΩ, and a resonance frequency of 1 800 Hz. Two pieces of PP films were in electrical series, the capacitance is 25.4 pF in total. The output power of 15 μW/g2was obtained with an area of 3.14 cm2, a seismic mass of 33.7 g and a matched load resistance of 4.3 MΩ. The piezoelectrets based energy harvesters may be used to power low-power electronics.

polypropylene； piezoelectrets； energy harvesting

1001-9731(2016)08-08074-05

国家自然科学基金资助项目(51173137，11374232)；中央高校基本科研资助项目(同济大学2014)

2015-05-22

2016-03-22 通讯作者：张晓青，E-mail: x.zhang@tongji.edu.cn

武丽明(1990-)，女，河北保定人，硕士，师承张晓青教授，从事驻极体能量采集研究。

O469

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.012