趙豐剛,陳 潔,鄭國華,曾浩然,符 悅

(1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學 化學化工學院,新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

利用功能材料所具有的特殊物理、化學性質來實現(xiàn)能量的捕獲和轉化，是新能源領域的一個重要研究內容，壓電陶瓷、磁致伸縮材料等用于能量收集已有應用[1-2]。單層電活性聚合物(EAP)膜的電流很小，當有1 000層或更多連在一起，就有可觀的電流。EAP是一類可在電壓下改變其形狀或尺寸的聚合物材料的統(tǒng)稱，其具有柔性好，變形大，強度持久，能量密度大和能量轉換效率高等優(yōu)點，在面向低頻能量收集領域潛力大[3]。

與煤、新能源發(fā)電及其他功能材料收集能量相比，EAP材料用于能量轉化具有以下優(yōu)點[4-7]：

1) 具有很高的比能密度和寬頻范圍內的高換能效率。

2) 柔韌度好，密度小，成本較低，無毒。

3) 作為軟體材料，易與機械能量源直接耦合，理論上無需中間轉換環(huán)節(jié)。

4) 耐沖擊、抗疲勞,工作溫度及濕度范圍寬，3M公司的VHB系列的材料長期耐溫是100 ℃，短期耐溫160 ℃，材料一般可承受 500萬次的機械拉伸循環(huán)而不致失效。

5) EAP材料成本低，其形狀尺寸可根據(jù)實際需要改變。

EAP材料最顯著的特點是變形量很大，具有較高的能量密度和換能效率，EAP材料的能量密度為0.4 J/g，換能效率可達 60%～80%?？傊?，就能量收集所需的綜合性能而言，被稱為“人工肌肉”的 EAP 是極具應用價值的功能材料之一，特別在低頻、大變形能量源(如人體運動、風和海浪等)的場合，更是蘊含著巨大的應用潛力[8]。文獻[9]對EAP材料的驅動模式進行了研究，文獻[10-13]對EAP材料在發(fā)電模式下能量轉化和收集進行了研究。

1 EAP材料發(fā)電機理

EAP材料有兩種工作模式：

1) 驅動模式。在EAP材料兩面涂抹上柔性電極，再加上電壓，由于異性電荷相互吸引，靜電力作用在EAP上，EAP變薄，面積變大，可實現(xiàn)電能向機械能的轉化，可用于機器人[14]。

2) 發(fā)電模式。將EAP拉伸，使其面積增加，厚度減小，電容增大，再給EAP加上電源，令其帶上電荷，再自由收縮，此過程EAP膜的彈力克服靜電力做功，彈性勢能減少，電勢能增大，直到材料的恢復力等于靜電力，EAP膜不再收縮，完成了機械能向電能的轉化。

EAP材料的這兩種工作方式是兩個可逆的過程。EAP是一種介電有機材料，具有彈性，當對EAP材料加上電荷、再繼續(xù)對材料輸入機械能后，EAP材料可實現(xiàn)將機械能轉化為電勢能。外部提供預加電壓，是為了對EAP材料進行充電，是完成發(fā)電循環(huán)不可缺少的環(huán)節(jié)。

EAP換能單元按結構可分為上層、中間層和下層。中間層為聚丙烯酸介電彈性體材料，上、下兩層為柔性電極材料構成等效電容。在拉伸EAP膜時，認為其體積不變，EAP膜未拉伸前的表面積為A0，厚為l0,拉伸后的表面積為A，膜厚為l，則有：

A0l0=Al

(1)

EAP換能單元等效為一個電容器，電容為

(2)

式中：εr為EAP材料的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)。

拉伸后的EAP換能單元，形似一個圓臺(見圖1)，則拉伸后換能單元的表面積A為

(3)

合并式(1)～(3)可得EAP換能單元等效電容Ceq與拉伸位移y的關系為

(4)

式中C0為拉伸位移y=0時換能單元的電容。

圖1 EAP換能單元變形圖

在發(fā)電前需提供預加電壓，為EAP換能單元提供初始電荷。因此，預加電壓是介電彈性體發(fā)電機完成機電轉換必不可少的環(huán)節(jié)。

EAP換能單元機電轉換過程，圖2(a)為一個簡單的機電轉換示意圖，可直觀地解釋介電彈性體的機電轉換的宏觀過程。首先加載外部電源給介電彈性體材料充電，并在外部機械力作用下產(chǎn)生形變，然后斷開電源，由于自身的形狀記憶效應使得介電彈性體在彈性恢復力作用下恢復初始形狀，從而自身電容值降低，電壓值升高，并向外放電。理想狀況下，輸入的機械能即為換能單元增加的電能。假設換能單元的初始儲存電能W0(y=0)為

(5)

式中U0為拉伸位移y=0時換能單元的電壓。

圖2 EAP換能單元能量轉化機理

拉伸位移為y后，換能單元儲存電能為

(6)

式中C1，U1分別是拉伸位移為y時換能單元的電容和電壓,則換能單元增加的電能為

ΔE=W1-W0

SI4133芯片內每個鎖相環(huán)都有各自的鑒相器增益Kp、分頻系數(shù)N、分配系數(shù)R。不同的相位鑒別器增益Kp的設置，會導致分頻系數(shù)R與分頻系數(shù)N有不同的取值限制范圍。表2展示了不同相位鑒別器增益設置對應的系數(shù)N的取值范圍。表3展示了不同相位鑒別器增益設置對應的系數(shù)R的取值范圍[33]。

(7)

基于EAP換能單元工作原理及宏觀過程(見圖2(a))，其能量收集循環(huán)過程由以下 4 個基本環(huán)節(jié)構成：

1) 拉伸 EAP換能單元，即輸入機械能，假設輸入了1個單位的機械能。

2) 拉伸狀態(tài)下，對EAP換能單元加偏置電壓，相當于在薄膜兩面加入異性電荷，假設輸入了一個單位的電能。

3) 收縮過程(見圖2(b)),薄膜自然彈性恢復，薄膜厚度增大；同時，異性電荷在薄膜兩面距離增大，同性電荷距離減少，EAP膜的彈力克服柔性電極上電子的靜電力做功，電勢能增加, 彈性勢能減少。此過程中以薄膜應變形式存在的機械能轉化為電能，實現(xiàn)了EAP換能單元的電能增加。

4) 電能被釋放,換能單元回到工作拉伸前的初始狀態(tài)，準備下一次循環(huán)。

2 試驗部分

2.1 主要試驗儀器和試驗試劑

主要試驗儀器有示波器(TBS 1052B-EDU)、萬用表(VICTOR VC890D)、高壓發(fā)生器及模擬電路實驗箱(THM-1型)。試驗試劑有聚丙烯酸橡膠(VHB 4910型)及導電膏(DDG-A型)。

2.2 EAP換能單元的制作

圓形EAP換能單元制作容易，結構穩(wěn)定。實驗采用VHB 4910橡膠作為介電材料，制作圓形EAP換能單元。制作步驟：

1) 預拉伸。按照每次試驗給定的預拉伸率對膜進行雙向等軸預拉伸。

3) 涂抹柔性電極。將事先配置好的柔性電極均勻涂在EAP膜兩側，使柔性電極和錫箔紙充分接觸。

2.3 正交試驗影響因素的確定

影響EAP換能單元輸出電流的因素較多，研究發(fā)現(xiàn)，介電材料、偏置電壓、預拉伸率、電極材料、薄膜厚度、拉伸位移及溫度等因素對EAP換能單元的輸出電流影響較大[15-19]，

為了減少試驗次數(shù)，我們采用正交試驗，不僅要保證試驗中未考慮因素的一致性，還需要考慮窗口直徑大小及預拉伸方式，溫度的一致性。為保證未考慮因素的一致性，預拉伸方式都為等軸雙向拉伸，柔性電極都為同一導電膏涂抹。

2.3.1 換能單元工作模式的選擇

EAP換能單元發(fā)電時是EAP驅動器的逆向使用，他有兩種工作模式，根據(jù)回退過程中EAP換能單元是否與高壓發(fā)生器接通，分為恒電荷模式和恒電壓模式。本文試驗采用恒電荷模式，其電路如圖3所示。表1為EAP換能單元兩種工作模式。

圖3 EAP換能單元兩種工作模式電路圖

模式開關初始階段拉伸充電階段收縮階段放電階段恒電荷開關1斷開閉合斷開斷開開關2斷開斷開斷開閉合恒電壓開關1閉合閉合閉合閉合開關2斷開斷開斷開閉合

2.3.2 試驗電路和試驗平臺

為進行正交試驗，搭建試驗平臺如圖4、5所示。由于換能單元的放電電流為微安級，萬用表無法直接讀數(shù)，采用2 GΩ的電阻與EAP換能單元串聯(lián)，由于示波器不能直接讀數(shù)，所以使用萬用表直接讀取電阻兩端電壓UR。由于換能單元放電電流是衰減電流，所以測得的電阻電壓也逐漸減小。故使用萬用表測電壓時，每次取讀到的最大值。

圖4 試驗平臺電路圖

圖5 試驗平臺實物圖

3 試驗結果與分析

3.1 因素水平表的確定

對輸出電壓的影響因素較多，研究者都給出了自己的影響因素，如預拉伸率、拉伸位移、預加電壓、電極材料等。根據(jù)EAP材料發(fā)電原理，試驗選擇預拉伸率、拉伸位移、預加電壓、膜面積及膜厚度為試驗因素，設計出正交實驗因素水平表，如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

3.2 正交試驗結果及分析

表3 正交試驗設計結果及極差分析

3.2.1 試驗因素與電阻電壓的關系

圖6為試驗因素與試驗水平關系。由表3、圖6可看出，預拉伸率的各水平平均值隨著預拉伸率增大而增大，即其他因素不變，預拉伸率越大，電阻電壓越大。從表3中第一列的極差R值小可知，預拉伸率對試驗的目標電阻電壓影響較小。對于EAP材料，有自己能承受拉伸的范圍，預拉伸率過大，則EAP膜會裂開。拉伸位移的水平平均值隨著水平值增大而增大，即在其他因素不變的情況下，拉伸位移越大，電阻電壓越大，這也符合實際情況，拉伸位移越大，相當于輸入更多的機械能，從而可轉換為更多的電能。換能單元的EAP膜不可能有很大的拉伸位移，當拉伸位移變大時，膜的厚度變小，當膜和高壓發(fā)生器接通時，膜上電壓大，很可能擊穿膜。EAP膜面積的水平平均值隨著水平增大而增大，且極差R值最大，說明換能單元膜的面積對試驗結果影響最大，且膜的面積越大，電阻電壓越大，這符合EAP換能單元的發(fā)電原理，膜的面積越大，則膜上可存儲更多的電荷，當換能單元和電阻接通時，則可放出更大的電流。

圖6 試驗因素與試驗水平關系

3.2.2 正交試驗結果的方差分析

由表3中誤差列的極差小于其他因素的極差，說明本次試驗所考慮的各因素間無交互作用，且試驗誤差小，試驗結果可靠性高。由R值可知，各因素對試驗結果影響順序為：膜面積>拉伸位移>預加電壓>預拉伸率>EAP膜厚度。將5個因素的最優(yōu)水平組合，得到條件為預加電壓1 000 V，預拉伸率400%，拉伸位移4 cm，膜面積62.41 cm2，EAP膜厚度1 mm。但這個試驗水平組合未在16組實驗中，從實驗結果來看，最好的是第1次實驗，而這次實驗預拉伸率和預加電壓都不是處在最好水平，這也說明預拉伸率和預加電壓對試驗結果的影響無拉伸位移和EAP膜面積大。最后做1組補充實驗，在最佳工作條件下測得電阻電壓為447 V。

極差分析無法準確計算實驗誤差的大小，各因素水平對實驗結果影響的顯著性也無法正確估計[20]。方差分析可將試驗中因試驗因素水平變化引起的數(shù)據(jù)波動同試驗誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分[21]，因此，采用方差分析試驗誤差,由spss軟件自動生成方差分析表和顯著性檢驗，如表4所示。表中，F(xiàn)為采用F檢驗公式計算得到的值,Sig為差異性顯著的檢驗值，該值與0.05比較，小于0.05表示差異顯著。

表4 方差分析

方差來源偏差平方和自由度均方差FSig預拉伸率預加電壓拉伸位移膜面積膜厚度空白列213.187126.6871 958.18016 539.60022.5635.06333331171.06242.229652.7295513.22022.5635.0632.1491.27719.742166.7500.6820.1530.4560.5590.1640.0270.5600.763

由表4可知，分析結果表明，實驗因素預拉伸率、預加電壓、拉伸位移、膜厚度的Sig值都大于0.05，則這兩個因素對試驗結果的作用不顯著；膜面積的Sig值為0.027，小于0.05，說明因素膜面積顯著。由表4中Sig值可看出，各因素的主次順序為：膜面積，拉伸位移，預拉伸率，預加電壓，膜厚度。與極差分析結果一致。

4 結論

本文從微觀和宏觀闡述了EAP換能單元的能量轉化過程和發(fā)電原理，再通過正交試驗定量的說明了影響EAP換能單元一個循環(huán)過程發(fā)電量的因素，并得出如下結論：

1) EAP換能單元的發(fā)電是依靠EAP膜的彈性將機械能轉化為電能，了解EAP換能單元的發(fā)電原理，對應用EAP材料進行能量收集有重要意義。

2) 正交試驗考慮的5個因素中，EAP膜面積影響最大，拉伸位移其次，但拉伸位移不可能過大，過大的拉伸位移會將膜撕破，且隨著拉伸位移的不斷增大，EAP膜越來越薄，易被高電壓擊穿，形成漏電流，導致電能損失。

3) 通過正交試驗得出，預拉伸率400%，預加電壓1 000 V，拉伸位移4 cm，膜面積62.41 cm2，EAP膜厚度1 mm時，電阻電壓最大。