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1. 研究目的与意义（文献综述）
1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）
近年来，便携式电子设备和可穿戴电子的发展达到了前所未有的高度，这些微型设备具有超低的功耗和更小的体积[1-2]，然而传统的化学电池具有体积大、柔性差、寿命短和存在环境污染等诸多弊端[3]。与此同时，在人类生活和生产的周围环境中存在着各种低频机械振动源可被利用[4]。因此，寻找一种高弹性、低频率、性能稳定的材料，并制备成轻质的能量收集系统成为亟需解决的问题。
近年来，压电能量采集中最常用的是悬臂梁结构。图1描述了一个悬臂式压电能量收集示意图[5]。图1a展示了“单压电晶片”结构，即将一层薄的压电陶瓷内置到悬臂中，与非压电层（通常是产生电荷的金属导体）结合，其中一端固定以使结构弯曲。图1b展示了“双压电晶片”结构，悬臂通过将压电陶瓷的两个薄层接合到同一金属层上来增加单元的功率输出。相对于单压电悬臂梁，双压电悬臂梁的性能更好，具有更高的功率密度。制作的实验样机的测试结果表明，在 2.5m/s2的加速度和 120hz 的外加振动频率下，样机的功率密度可达 70μw/cm3[6-7]。双压电悬臂梁由于其使能量收集器的能量输出加倍而体积基本不变的优势在压电能量收集研究中较为常用[8]。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
（1）文献调研及理论学习
通过国内外相关文献的调研，掌握压电材料的原理和压电纤维复合材料的工作机制，了解高弹低频压电纤维俘能系统能量收集的研究现状和发展趋势，学习国内外结构优化设计的方法，并进一步探究提升压电俘能效率的方法。
（2）压电纤维复合材料的制备：
切割-填充法制备压电纤维复合材料，并用有限元仿真软件建立相关模型。
（3）压电纤维复合材料的性能表征:
采用X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）等对其进行物相与结构测试表征。使用铁电测试仪、阻抗分析仪等设备测试材料的电学性能；使用铁电测试仪测量MFC的铁电特性。
（4）弹性结构低频振动系统的搭建与测试
以激振器为振源，搭建不同弹性基底的悬臂梁结构，测试在不同的激振力、不同的激振频率和不同的悬臂梁弹性模量时，压电纤维复合材料的短路电流、开路电压、频谱特性和电功率的输出规律，分析其是否适用于可穿戴产品的供能需求。
2.2 研究目标
（1）掌握压电纤维复合材料的制备方法和仿真建模分析方法，采用切割-填充法制备压电纤维复合材料MFC。
（2）掌握压电纤维俘能系统能量收集的发展现状，搭建弹性结构低频振动系统，测试分析其不同条件下的俘能情况，探索压电纤维俘能器用于可穿戴系统中的可行性。
2.3 技术方案
（1）试剂与仪器：
试剂：PZT压电陶瓷粉末、聚乙烯醇（分子量1750±50）等
仪器：
| 编号 | 设备名称 | 参数 |
| 1 | 电子天枰 | 量程120g 精密度：0.0001g |
| 2 | 箱式电炉 | 控温精度:±3℃ |
| 3 | 数显式压力试验机 | 负载范围：0~2000kN |
| 4 | 真空干燥箱 | 真空度＜133Pa 恒温波动：±1℃ |
| 5 | 行星式球磨机 | 转速：0~600rpm |
| 6 | 真空炼泥机 | 真空度：0.085~0.095MPa |
| 7 | 金刚石直线切割机 | 转速：0~3000rpm 切割精度：0.01mm |
| 8 | 集热式恒温加热磁力搅拌器 | 控温精度：±1℃ |
| 9 | 叉指电极 | 不同尺寸 |
| 10 | 铁电测试仪 |
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| 11 | 光纤位移传感器 | 测试精度：±2.5 mm |
| 12 | 万用表 |
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| 13 | 示波器 |
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| 14 | 冷等静压机 |
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| 15 | 激振器 |
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（2）实验方案：
（i） 将购置的压电陶瓷粉末与聚乙烯醇水溶液（5%PVA溶液）按照每1g粉末1滴溶液，进行混合搅拌，放入干净的袋子陈腐24h，获得压电陶瓷粉料。
（ii） 将粉料放入压力试验机的模具中，将粉料压成圆柱形，保压20min以上。将样品进行抽真空处理，放入冷等静压机中压制成型，得到圆柱形压电陶瓷胚体。
（iii） 用金刚石切割机对制备的压电陶瓷切割，填充聚合物，将压电纤维复合薄片上下覆盖叉指电极后，在3kV/mm电场下完成极化。用铁点测试仪和光纤位移传感器测试所得压电陶瓷纤维复合材料的电性能和应变性能。
（iv）搭建低频高弹俘能系统，改变悬臂梁的弹性基底，找出弹性模量、频率及输出功率三者之间的关系，通过实验进一步优化实验系统，找到其能量收集最高效率的弹性模量参数和频率参数，为实现可穿戴能量收集提供可行性分析。
（4）分析总结数据：
对压电陶瓷纤维进行物相分析和断面结构分析。利用铁电测试仪测试压电纤维复合材料的铁电性能，万用表、示波器等测量不同弹性基底的能量俘获效率。通过对收集到的数据进行分析，研究低频高弹的能量收集系统应用于可穿戴环境下的能量收集的电学特性和声学特性。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4－9周：按照设计方案，制备压电纤维复合材料，优化制备工艺，熟悉制备流程，用仿真软件建模分析，并用仿真结果指导实验的进一步开展；
第10－12周：搭建俘能系统，应用于可穿戴环境下测试其能量收集的电学参数、振动特性等相关参数；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]gilbert j m, balouchi f. comparison of energy harvesting systems for
wireless sensor networks[j]. int j autom,2008,5(4):334－347.
[2]lara d, labrador m a. a survey on human activity recognition using[j].wearable sensors. ieee communications surveys＆tutorials,
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