面向电力设备检测与诊断的压电材料及器件

刘奎山

摘要：电力行业是关乎国计民生的基础能源产业，在信息化时代，各行各业对电力的依赖都在增加，这对输电网络供电的可靠性、安全性提出了更高的要求。当前，推进智能电网的建设是中国智能电力建设的重心之一。相较于传统电网，智能电网是建立在电力系统上的信息架构和基础设施体系，它将先进传感技术、信息通信技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础設施高度集成从而形成新型现代化电网。先进传感技术有助于快速准确地获取信息并保障后续控制策略的及时执行，对于电网故障的检测和潜在安全隐患的排查是不可或缺的。智能电网中的无线传感器网络正向着小型化、低能耗的方向发展。

关键词：压电效应;压电材料;复合材料;压电传感器;能量采集器;智能电网

引言

随着电子通信与无线传感技术的迅猛发展，越来越多的低功耗电子器件不断涌现，随之而来的是这些微型器件的供电问题。传统的化学电池因其污染严重、使用寿命短等固有缺陷逐渐被淘汰，取而代之的是新型能量收集装置，这些装置通过收集环境中存在的各种能量并将其转换成电信号来维持电子设备的正常工作。随着5G时代的到来，通信基站林立，环境中的频谱资源也日益丰富，作为射频能量载体的天线异军突起。而这其中，以其他能量收集载体作为制作材料的天线由于可同时收集多种能量对抗环境多样性，从而获得更高更稳定的输出效率成为研究的热点。

1有机压电材料

有机压电材料主要是各种压电聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物为代表。PVDF是一种结晶性聚合物，PVDF内可能含有α、β、γ和δ4种晶型，其中β晶型极性最大，且具有压电性和铁电性。相较于无机压电陶瓷，PVDF的优势在于其低密度、低声学阻抗，以及陶瓷材料无可比拟的柔性。目前，压电PVDF在声频转换器、压力传感器、水下声呐等领域有诸多应用。基于PVDF还研制出了其他铁电共聚物，例如偏氟乙烯和三氟乙烯（TrFE）的二元共聚物P（VDF-TrFE）和偏氟乙烯、三氟乙烯、氟氯乙烯的三元共聚物P（VDF-TrFE-CFE）等。有机压电材料的应用主要受限于其低的压电系数。由于压电材料在实际使用过程当中需承受循环电场的加载，或者外部环境施加的周期性振动、弯曲等，这会导致压电材料发生疲劳现象，具体表现为压电性能随时间呈对数规律地下降，在大电压、大应变的工作环境中甚至导致裂纹和断裂，导致压电元件完全失效。因此希望在压电悬臂梁、压电换能晶片中所使用的压电材料需尽可能地具有较高的抗压和抗拉强度，以满足长时间和恶劣环境中服役的要求。

2压电材料在可调弹性波超构材料中的应用

在众多智能材料中，压电材料毫无疑问是研究最充分、技术最成熟、应用最广泛的智能材料。无论是厚重坚硬的压电陶瓷或合金、还是轻质柔软的聚合物，无论是导体还是半导体，无论体积大小，无论低频还是高频，都能找到压电材料的踪影或应用。常见的压电材料可分为压电晶体（如石英晶体）、压电陶瓷（如锆钛酸铅PZT）以及压电聚合物（如聚偏氟乙烯PVDF）三大类，三类压电材料各有优缺点，在不同领域都有独特的应用价值。压电材料最显著的特点是存在力电耦合效应：在机械荷载的作用下会出现表面电荷并在体内形成电场（正压电效应），也可以在电场作用下产生变形（逆压电效应）。这一力电耦合特性赋予了压电材料在电能和机械能之间进行转换的能力，从而在换能器、传感器和激励器等应用中大显身手。与其他智能材料相比，压电材料具有响应速度快、控制精度高、体积小、市场大、价格便宜等突出优点。为了充分利用压电材料的性能，还需要开发对力学信号快速且精确处理的设备;设计更优异的外接控制电路（稳定性好，调节精确且范围大，体积小，能耗低等）;在更一般形式的压电超构材料中充分利用压电材料所固有的正/逆压电效应，实现反馈控制。将为高性能智能超构材料及可调声波器件的研制提供更经济、更优化、更多样、更主动的方案选择。需要指出的是，在压电超构材料中可能存在各种各样的材料界面，可能会导致常规数值方法的失效，因此在压电超构材料的设计中也要重视高效、稳定和精确的数值计算方法的研究。

3基于压电材料的声波检测系统

电力设备在正常运行过程中可能长期受电磁场、发热、机械力和外在恶劣环境等因素的影响，绝缘材料会发生劣化，可能产生局部放电（简称局放）的物理现象。局放会造成介质局部的破坏。如果介质长期存在局放，会加速绝缘劣化，并最终导致介质击穿和沿面闪络。局放所导致的绝缘故障在所有电力设备的故障中占到了非常大的比例。目前，主要的局放检测方法有脉冲电流法、介质损耗法、气相色谱法、红外光谱法和超声检测法等。相较于脉冲电流法等检测电学物理量的方法，超声检测法具有抗电磁干扰能力强、适用于复杂电磁环境下局放检测的优点。

4新型能量收集电路的设计。

能量收集电路就是将压电能量采集装置或者纳米发电机所产生的电能进行整流、AC-DC变换并给外部负载供电，如各种传感设备。前文所提到的标准整流电路应用较多，但电路本身的消耗较大，由于在压电能量采集器中，压电效应产生的电荷量和功率通常都比较微小，因此必须减少电能在电路当中的损耗，或者放大输出信号。对于压电能量采集器来说，为实现稳定高效的电能输出需优化现有电路结构或设计新型的整流桥、设计针对多压电器件的低损耗电路等。

5基于压电材料的双频段能量收集天线

基于压电材料的双频段能量收集天线，通过以PVDF压电薄膜作为天线的介质基板实现小型化设计;通过在介质层上添加寄生单元改变表面电流分布，实现双频段的设计。天线性能的实测与仿真结果基本吻合，工作频段覆盖2.4GHz与5.8GHz常用ISM通信频段，–10dB工作带宽分别为560MHz与1.01GHz。该天线结构相对简单，易于集成，适用于对抗环境多样性的能量收集领域，实现低功耗电子器件自主供电。基于压电材料的双频段能量收集天线，通过以PVDF压电薄膜作为天线的介质基板实现小型化设计;通过在介质层上添加寄生单元改变表面电流分布，实现双频段的设计。天线性能的实测与仿真结果基本吻合，工作频段覆盖2.4GHz与5.8GHz常用ISM通信频段，–10dB工作带宽分别为560MHz与1.01GHz。该天线结构相对简单，易于集成，适用于对抗环境多样性的能量收集领域，实现低功耗电子器件自主供电。

智能复合材料层合板的应用

结束语

压电效应通常指介电材料受到外力作用时产生电势的现象，因机械应力作用引发的被称为正压电效应或直接压电效应，因外电场作用产生机械形变而引发的被称为逆压电效应或间接压电效应。近年来的研究情况显示，大多数研究人员将提升PNG性能的切入点落脚于压电材料，通过各种工艺将多种材料整合在同一纳米发电机中，以赋予其多源采集能力和优良的输出性能。但是作为新兴的研究领域，PNG结构对输出性能的影响并没有系统的理论与成果检验，尚需更深层次的结构探究与总结，才能进一步向优化PNG输出性能的目标推进。

参考文献：

[1]赵帅，周科峰，刘琛，王晗.基于压电效应的磁场能量采集管理电路研究[J].电工电气，2020（02）：12-17.

[2]薛宇.功能梯度压电材料板的静动态响应及主动控制[D].太原理工大学，2019.

[3]王翔.基于非线性技术的压电-静电复合式振动能量收集器的研究[D].厦门大学，2018.

[4]傅正钱.铌酸钾钠基无铅压电材料微结构研究[D].中国科学院大学（中国科学院上海硅酸盐研究所），2018.

[5]张茂华.铌酸钾钠基无铅材料的压电性能及畴结构研究[D].清华大学，2018.