基于E-ACE机械能转化为电能的影响因素分析*

刘志运

(广州铁路职业技术学院 机车车辆学院，广东 广州 510430)

1 EAP材料

EAP(Electroactive polymer，电活性聚合物)种类很多，常见的有导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等，其主要参数如表1所示[1，2]。EAP材料可分为电子型和离子型两种，具有不同的特性。电子型EAP材料多数是干燥材料，由电场力或库仑力驱动，这类材料包括压电材料、电致伸缩材料和铁电材料，通常这类材料是极化的，应变与电位移耦合;离子型EAP材料通常含有电解质，并涉及转运离子、分子对外部电场的响应，此类材料有电致流变液体、离子聚合物凝胶、导电聚合物等种类。电子型的EAP材料广泛应用于致动器、传感器、发电机等，具有良好的应用性能。其中丙烯酸弹性体材料E-ACE(Electric-Acrylic Elastomer)是电子型EAP材料的典型代表，其综合性能良好、应变响应快、能量效率高，能够适应较大的温度、湿度变化，成本低[3]。

表1 EAP材料的主要参数

2 E-ACE材料发电机理

E-ACE是一种新型电致感应智能材料，是在丙烯酸弹性体材料基质的上下表面渗入屈从电极材料(如碳或石墨等)而形成的，是一种基于麦克斯韦效应的材料[4]。E-ACE材料具有驱动和发电两种工作模式，可以进行多种形式的发电，其发电原理实质上是驱动模式的逆向过程，是将E-ACE材料变形产生的机械能(弹性势能)转变为电能，在大电容状态下将初始电荷注入到介电弹性体薄膜电极上[5，6]。从宏观上看，在小电容状态下，E-ACE的弹性应力抵抗了电场力，进而提高了电能；从微观的角度来看，薄膜收缩且厚度增加时，异性电荷被推离，同性电荷因为薄膜的面积缩小而被压缩靠近，从而起到了提高电压的作用[7，8]。E-ACE在发电实现方式上与其他压电材料相似，而发电机理上却有本质的不同。E-ACE材料发电机理如图1所示。

图1 E-ACE材料发电机理

3 E-ACE机械能转化为电能的发电模式

根据E-ACE材料物理结构和极化方向不同，E-ACE机械能转化为电能具有两种不同的工作模式，即长度振动拉伸模式和横向振动剪切模式，如图2所示。长度振动拉伸模式下，外部施加力方向T与极化方向P相互垂直，产生的电压方向为极化方向；横向振动剪切模式下，外部施加力方向T与极化方向P平行，产生的电压方向为极化方向。

图2 E-ACE两种振动发电模式

本文主要针对E-ACE材料横向振动剪切模式进行研究。假设E-ACE受到频率为ω的简谐振动力F，则E-ACE在厚度方向所产生的电量Q可表示为：

(1)

其中:d31为E-ACE的横向压电系数；l、h分别为E-ACE材料的长度和宽度。

E-ACE作为等效电容C可表示为：

(2)

其中：ε、ε0和A分别为E-ACE材料的相对介电常数、自由空间介电常数和表面积。

在任意时刻，E-ACE发电电压U可表示为：

(3)

由此可见，若得知E-ACE在厚度方向所产生的电量Q以及电容C，即可得到E-ACE发电电压U。还可以通过E-ACE在伸展和收缩过程中面积的改变量得到该材料发电电能大小。

4 E-ACE发电实验方案

根据E-ACE发电实验要求，设计了E-ACE机械能转化为电能的总体方案。实验设备安装在固定工作台上，E-ACE材料左侧与固定板连接，右侧与伺服电动缸连接，伺服电动缸固定在工作台上，E-ACE前后两电极与直流偏置高压电源连接。在E-ACE不带电条件下，电容测试仪与材料两表面电极分别连接，电容测试仪与PC机连接，实时采集材料拉伸过程中电容的变化量。伺服电动缸与伺服驱动器连接，伺服驱动器分别与P62转接板、开关电源连接，P62转接板与运动控制卡连接，运动卡与PC机连接，最终通过VB程序对伺服电动缸进行控制。

本实验选用E-ACE薄膜材料，需要高压直流偏置电源、高压探头、示波器等作为辅助设备，实验数据可实时进行采集。实验用E-ACE薄膜材料长、宽分别为100 mm、58 mm，制作E-ACE介电弹性薄膜表面所涂的石墨电极长、宽分别为75 mm、54 mm，并把制作好的E-ACE介电弹性薄膜安装在振动装置上。

5 实验分析

5.1 基础偏置电压与发电电压的关系

基础偏置电压是影响E-ACE发电效果的重要因素之一，在拉伸速度为10 mm/s、E-ACE材料1倍拉伸量下，不同基础偏置电压对发电电压的影响如图3所示。从图3可知，E-ACE材料两端的发电电压变化量随着所涂石墨电极区所施加基础偏置电压的增大而增大。整个发电电压升高的过程可描述为：在E-ACE拉伸过程中，材料表面积增大、电容增大、电压出现短时下降，此时基础偏置电源会立刻补充电压；在E-ACE收缩过程中，材料面积减小、电容减小，随着材料两端所施加的基础偏置电压不断增加，材料表面的带电量也会随之增加，发电电压是和材料表面电量成正比，因此在一定条件下材料两电极所施加初始偏置电压越高在材料被拉伸过程中所产生的电压就越高。

图3 不同基础偏置电压对发电电压的影响

5.2 变形量与电容的关系

从E-ACE材料的发电原理上讲，即可变电容。从宏观上看，材料薄膜收缩时为小电容，E-ACE材料弹性应力抵抗电场力，进而提高了电能；从微观上看，材料薄膜收缩、厚度增加，由于薄膜两表面异性电荷被推离而同性电荷由于薄膜面积的缩小被压缩靠近，从而提高了电荷电压。由此可推知，当对E-ACE施加外力使其变形时，变形越大，电容改变量越大，从而使发电能力越强，而E-ACE材料的发电过程即为该材料的伸展与弛豫交替过程。为了进一步研究E-ACE材料拉伸过程电容变化情况，设置拉伸速度为10 mm/s，基础偏置电压1 000 V，不同拉伸变形量下的电容变化如图4所示。

图4 变形量与电容变化的关系

由图4可知：E-ACE拉伸1倍变形量过程中，电容值随着拉伸量的增加而增大，随后薄膜在收缩过程中电容值在不断减小，逐渐恢复至初始电容值，电容值变化比较平稳，当E-ACE拉伸到1倍变形量75 mm时电容达到最大值；E-ACE拉伸2倍变形量过程中，电容值随着拉伸量的增加而增大，随后薄膜在收缩过程中电容值在不断减小，逐渐恢复至初始电容值，电容值变化比较平稳，当E-ACE拉伸到2倍变形量150 mm时电容达到最大值，继续拉伸电容减小。可见，该尺寸的E-ACE薄膜在拉伸过程中整体电容量在升高，下降得比较缓慢，出现这种性质与材料自身的特性有关。

6 结语

综上所述，E-ACE材料的开发和应用应结合节能环保、开发新能源的趋势综合考虑，选取合适的能量回收装置，提高效率、降低成本，稳定地输出电能是振动能量回收首要考虑的问题。通过对E-ACE振动能量回收装置进行发电实验可知：在相同拉伸量条件下，基础偏置电压越高，发电电压就越高；当对E-ACE施加外力使其变形时，变形越大，电容的改变量越大，从而使E-ACE发电能力越强。由此可见，基础偏置电压、机械拉伸量都是影响E-ACE振动能量回收装置发电电压的重要因素，E-ACE发电效果明显。