研究人员研发新型压电材料 高温下表现良好

盖世汽车讯 据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学和QorTek公司的研究人员共同开发出新型压电设备（piezoelectric device），在高温下依然可以有效运作。而此前，作为传感器和能量收集器，虽然压电材料具有广阔的前景，但通常在高温下表现不佳，因此无法应用于发动机或太空探索等环境。宾夕法尼亚州立大学材料研究所（MRI）主任Clive Randall与QorTek公司研究人员合作开发了该材料和设备。QorTek公司位于宾夕法尼亚州，专门研究智能材料设备和高密度电力电子产品。

Randall表示：“美国国家航空航天局想要在难以更换电池的偏远地区为电子设备供电，希望可以使用自供电的传感器来监控一些系统，如发动机是否稳定。此外，他们还想在火箭发射等高温环境下使用这些设备，但高温会导致压电材料失效。”

（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

压电材料在机械力作用下会迅速压缩，从而产生电荷，其中机械力可能是来自机器或发动机引起的振动或运动。它可以作为测量压力、温度、张力或加速度变化的传感器。因此，压电材料有可能可以为个人电子设备以及桥接稳定性传感器等各种设备提供电力。

研究团队将压电材料整合到双压电晶片的压电能量收集器技术中，从而使该设备可作为传感器、能量收集器或致动器。双压电晶片具有两个压电层，其形状和组装方式可以最大程度地提高能量收集效率。传感器和能量收集器在弯曲双压电晶片结构时，可产生电信号以进行测量，也可充当电源。

不幸的是，这些功能在高温环境下效率很低。当前最先进的压电能量收集器的最大有效工作温度范围通常在176华氏度（80摄氏度）至248华氏度（120摄氏度）之间。QorTek首席技术官Gareth Knowles表示：“压电材料存在一个基本问题，即当温度超过120摄氏度，性能便开始明显下降；而当温度超过200摄氏度（392华氏度）时，性能几乎消失。我们的研究成果为NASA提供了一个可能的解决方案。”

研究人员开发的新型压电材料组合物在48华氏度（250华氏度）的温度下可以有近乎恒定的有效性能。尽管当温度超过482华氏度（250华氏度）时，性能有所下降，但即使温度超过572华氏度，该压电材料作为能量收集器或传感器仍可发挥有效性能。

Knowles称：“这是首次有组合物在高温环境下，其性能表现与在室温下一样良好。之前从未有人可让压电材料在如此高温下有效工作。”这种材料还有一个优势，那就是发电量非常高。Randall表示，虽然目前压电能量收集器的性能还无法达到像太阳能电池等高效发电设备，但新材料可以为其他应用提供更多可能性。

Randall还说：“新型压电材料的能量产生性能表现令人印象深刻。该材料作为压电能量收集器的性能效率创下历史纪录。这意味着，未来将有可能在黑暗或隐蔽环境中，如汽车系统内部甚至人体内部，实现持续的且无需电池的电源供应。”Randall和Knowles都指出，宾夕法尼亚州立大学与QorTek合作已有20多年，通过相互补充资源，才开发出改良版新型压电材料。

Knowles表示：“总之，因着这样合作关系，我们可以利用MRI和宾夕法尼亚州立大学拥有的巨型知识库，而像我们这样的小公司一般是不会有的。此外，大学通常还会拥有设备之类的物理资源，而这些通常在小公司也不会有。”