本發(fā)明涉及新能源材料與器件的，尤其涉及到一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料。

背景技術(shù)：

1、隨著新材料和電子集成技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品融入到人們的日常工作生活當(dāng)中。然而電子器件主要通過(guò)化學(xué)電池供電，使用壽命有限且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，從環(huán)境中收集能量替代傳統(tǒng)電池或延長(zhǎng)傳統(tǒng)電池壽命的能量采集技術(shù)引起工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中，壓電能量收集技術(shù)因其功耗低、無(wú)電磁干擾、易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械能量收集領(lǐng)域一直占據(jù)重要的地位。然而，其機(jī)電耦合系數(shù)較低、可靠性較差的缺點(diǎn)也限制了壓電能量收集技術(shù)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

2、負(fù)泊松比超材料，由于其在荷載作用下展現(xiàn)出的獨(dú)特變形特征，在將其與壓電陶瓷相結(jié)合之后，能夠同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷的多種機(jī)電耦合模式來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從而提高壓電元件的電功率輸出。原理在于：通過(guò)加入負(fù)泊松比基底對(duì)壓電材料的變形模式進(jìn)行干涉，從而使得壓電復(fù)合超材料在荷載作用下表現(xiàn)出負(fù)泊松比特性。自smith于1991年提出負(fù)泊松比效應(yīng)在提高壓電材料的電功率輸出上的優(yōu)勢(shì)之后，關(guān)于負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料的研究成果已受到越來(lái)越多的關(guān)注，大量研究均證明了負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料在能量收集方面的應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)有相關(guān)研究主要關(guān)注負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料在d31工作模式下的性能，忽略了在d33工作模式下的性能，而后者在道路壓電能量收集、人體能量收集等領(lǐng)域中都起著重要的作用。如何優(yōu)化負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之能夠更好地解決實(shí)際應(yīng)用中的痛點(diǎn)，是當(dāng)前這一階段研究的重點(diǎn)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料缺乏在d33工作模式下的性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用環(huán)境受到限制這一問(wèn)題，通過(guò)將三維壓扭耦合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)引入負(fù)泊松比基底的設(shè)計(jì)中，在d33工作模式下首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷的所有機(jī)電耦合模式，實(shí)現(xiàn)了負(fù)泊松比壓電復(fù)合超材料在d33工作模式下的性能提升，使得壓電復(fù)合超材料具有更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料，包括不銹鋼基底、絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層和壓電陶瓷；

3、所述的不銹鋼基底由平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)與三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)所組成；

4、所述的不銹鋼基底結(jié)合了平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)與三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在d31工作模式下，不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)部分起主要作用，在荷載作用下同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷的31和32機(jī)電耦合模式，從而提高壓電復(fù)合超材料的電功率輸出；在d33工作模式下，不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)與三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)共同起作用，同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷的31，32及33機(jī)電耦合模式，最大化壓電復(fù)合超材料的電功率輸出；

5、所述的不銹鋼基底與壓電陶瓷通過(guò)絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層進(jìn)行粘接。

6、作為優(yōu)選，所述的不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板部分的開(kāi)孔角度滿(mǎn)足：θ＝5°，從而保證壓電復(fù)合超材料在d31工作模式下的電功率輸出最大化。

7、作為優(yōu)選，所述的不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板部分的連接處寬度與超材料總寬度的比值滿(mǎn)足：d/w≈0.075。

8、作為優(yōu)選，所述的不銹鋼基底的三維壓扭耦合負(fù)泊松比部分的傾斜桿角度滿(mǎn)足：15°≤α≤20°，從而保證壓電復(fù)合超材料在d33工作模式下的電功率輸出最大化。

9、作為優(yōu)選，所述的絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層的厚度滿(mǎn)足：h＝10μm。

10、上述一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料，包括以下步驟：

11、1)根據(jù)超材料應(yīng)用的實(shí)際情況確定壓電陶瓷的長(zhǎng)度l、寬度w、厚度h；

12、2)基于不同的壓電陶瓷尺寸設(shè)計(jì)不銹鋼基底的結(jié)構(gòu)尺寸，包括基底厚度、傾斜桿截面尺寸等；

13、3)將壓電陶瓷與不銹鋼基底通過(guò)絕緣的環(huán)氧樹(shù)脂層相連接構(gòu)成完整的壓電復(fù)合超材料；

14、4)用此方法制造出的壓電復(fù)合超材料，在外部荷載的作用下，能夠同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷的復(fù)數(shù)種機(jī)電耦合模式，從而獲得更高的機(jī)電耦合系數(shù)。

15、本發(fā)明具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的新型壓電復(fù)合超材料在壓電能量收集元件和壓電傳感器中的應(yīng)用。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、本發(fā)明提供的一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料，采用結(jié)合了平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)與三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的不銹鋼基底。通過(guò)基底對(duì)壓電陶瓷變形行為的干涉，大幅提高了壓電復(fù)合超材料的機(jī)電耦合系數(shù)。本發(fā)明提出的壓電復(fù)合超材料可以顯著提高壓電器件的能量轉(zhuǎn)換性能，有助于制造具有更高電功率輸出的壓電能量收集裝置，以及更靈敏的壓電傳感器件。

技術(shù)特征：

1.一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料，其特征在于：包括不銹鋼基底、絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層和壓電陶瓷；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的新型壓電復(fù)合超材料，其特征在于：所述的不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板部分的開(kāi)孔角度滿(mǎn)足：θ＝5°。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的新型壓電復(fù)合超材料，其特征在于：所述的不銹鋼基底的平面負(fù)泊松比穿孔板部分的連接處寬度與超材料總寬度的比值滿(mǎn)足：d/w≈0.075。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的新型壓電復(fù)合超材料，其特征在于：所述的不銹鋼基底的三維壓扭耦合負(fù)泊松比部分的傾斜桿角度滿(mǎn)足：15°≤α≤20°。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的新型壓電復(fù)合超材料，其特征在于：所述的絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層的厚度滿(mǎn)足：h＝10μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底的壓電復(fù)合超材料，利用三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)基底對(duì)壓電材料變形行為的干涉來(lái)提高壓電材料的機(jī)電耦合性能，包括不銹鋼基底、絕緣環(huán)氧樹(shù)脂層和壓電陶瓷三個(gè)部分；其中，不銹鋼基底通過(guò)結(jié)合平面負(fù)泊松比穿孔板結(jié)構(gòu)與三維壓扭耦合負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)制備而成；串聯(lián)連接的壓電陶瓷通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂層粘接在不銹鋼基底的上下表面。本發(fā)明提出的壓電復(fù)合超材料可以顯著提高壓電器件的能量轉(zhuǎn)換性能，有助于制造具有更高電功率輸出的壓電能量收集裝置，以及更靈敏的壓電傳感器件。

技術(shù)研發(fā)人員：任鑫,嚴(yán)涵,張毅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28