轨道振动能量采集用压电纤维复合材料开题报告

全文总字数：7121字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着我国铁路和城市轨道交通建设飞跃式发展以及一带一路的开展，由轨道振动带来的环境噪音等问题也日益突出，如何降低铁路运输过程中引发的环境振动噪声，并将振动能有效回收利用为各类传感器提供电能是时下热门的研究课题之一。

目前，用于振动能量收集的俘能器主要有压电式^[1-2]、电磁式^[3]、静电式^[4]三类。其中，压电式俘能器因结构简单、体积小、无电磁干扰、能量密度大、易于制作等优点，受到了许多研究者的青睐。压电能量采集设备的核心部件是压电材料，其能量采集效率决定于压电材料的性能及结构参数，国内外众多研究机构和学者在振动能量采集用压电材料方面做了大量的工作。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）压电纤维复合材料的制备技术研究。利用PZT粉末通过固相法制备压电陶瓷，利用切割-填充法制备压电纤维复合材料。研究工艺参数对复合材料结构与性能的影响。

（2）轨道振动能量采集用复合材料模拟仿真结构优化。采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对MFC能量输出、振动状态等进行仿真模拟，研究结构参数对压电纤维复合材料能量采集特性的影响规律。

（3）压电纤维复合材料轨道俘能元件电学输出性能研究。对制备的MFC通过阻抗分析仪和铁电测试仪等设备进行性能测试。

2.2 研究目标

（1） 通过模拟掌握压电纤维结构参数对能量输出、电场分布、特征振动等性能影响。

（2）基于MFC设计并制备轨道振动能量采集装置，设计并搭建搭建能量测试系统，形成MFC轨道俘能测试平台。

2.3 技术方案

（1）试剂与仪器：

试剂：PZT压电陶瓷粉末（山东淄博宇海电子陶瓷有限公司）、聚乙烯醇（分子量1750±50）等

仪器：

（2）实验方案：

（i） 先使用有限元仿真软件COMSOL建立仿真模型，模拟结构参数，如压电陶瓷类型，负载电阻，压电纤维宏观尺寸，聚合物弹性模量等对压电纤维复合材料能量采集特性（输出电压，谐振频率等）的影响规律，并以此为根据，设计相应的压电纤维复合材料和符合实际的轨道振动能量采集实验平台。

（ii）以购置的PZT陶瓷粉为原料，用固相烧结法，制得压电陶瓷。

（iii）使用切割-填充法制备压电陶瓷纤维复合材料，接入叉指电极，在2kV/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，并进行形貌表征。

（iv）采用X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）等对陶瓷纤维和MFC进行物相与结构测试表征。

（v）搭建轨道振动能量采集实验平台，测试MFC轨道振动能量收集的性能测试。主要记录三个参数：开路输出电压（VOC）、短路输出电流（ISC）和瞬态功率密度（PI）。

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4－8周：按照设计方案，了解压电纤维复合材料的制备流程和制备工艺。对压电纤维复合材料用于轨道振动的俘能装置进行建模，用有限元仿真软件comsol进行分析，详细分析其电学特性和俘能机理；

第9－12周：用有限元分析的结果指导搭建轨道模型振动俘能装置，测试压电纤维复合材料能量收集的电学参数、振动特性等，计算出其输出功率和能量转化效率；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]shahab s , zhao s , erturk a . performance comparison of soft and hard piezoelectric ceramics and single crystals for random vibration energy harvesting[j]. energy technology, 2017.

[2]yang z , zu j . comparison of pzn-pt, pmn-pt single crystals and pzt ceramic for vibration energy harvesting[j]. energy conversion management, 2016, 122(aug.):321-329.