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　　工學(xué)院董蜀湘課題組高溫壓電振動(dòng)能量回收研究取得重要進(jìn)展

　　最近，工學(xué)院材料科學(xué)與工程系董蜀湘">董蜀湘課題組研制出可在高溫環(huán)境下基于壓電原理的振動(dòng)能量回收器件，該成果發(fā)表于材料領(lǐng)域權(quán)威刊物《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials，IF=11.382)，題目為“High-Temperature BiScO3-PbTiO3 Piezoelectric Vibration Energy Harvester”。

　　近幾年來(lái)，能源材料，特別是針對(duì)環(huán)境能量，如熱能、風(fēng)能、電磁能以及振動(dòng)能量等回收的能源材料，發(fā)展十分迅速。目前已報(bào)道的能源材料，大多只能在室溫附近環(huán)境下工作。例如，傳統(tǒng)的懸臂梁式PZT壓電振動(dòng)能量回收技術(shù)，因其相對(duì)較低的居里溫度，以及采用環(huán)氧樹脂粘合劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約了它在高溫環(huán)境中的振動(dòng)能量回收的應(yīng)用。但是隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在高溫環(huán)境中傳感器能量自貢給問題顯得十分迫切，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、核能等重要部位的自檢測(cè)、傳感與通訊。因此，發(fā)展高溫壓電材料以及可在高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自供電就是能源材料領(lǐng)域一個(gè)急需解決的科學(xué)和技術(shù)問題。

　　董蜀湘">董蜀湘課題組研制了一種具有高居里點(diǎn)的鈧酸鉍-鈦酸鉛(BiScO3-PbTiO3)基改性壓電陶瓷，居里溫度高達(dá)450℃。而傳統(tǒng)的PZT壓電陶瓷，其居里溫度僅為200-350℃。新的壓電陶瓷材料提高了器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性;在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的能量回收器件，旨在應(yīng)于高溫環(huán)境中的振動(dòng)能量回收。實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)：在給定的外界振動(dòng)激勵(lì)下，這種新型的能量回收器件在高溫下(150-200℃)產(chǎn)生的功率輸出竟然比在室溫下高出一倍!研究進(jìn)一步揭示，這種壓電陶瓷材料在高溫下其電疇活性被強(qiáng)化，因而增強(qiáng)了它的壓電性能。目前在1個(gè)重力加速度激勵(lì)下，這這種能量回收器可以產(chǎn)生數(shù)十微瓦的功率輸出。但通過材料和器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)，今后有望實(shí)現(xiàn)毫瓦量級(jí)的功率輸出。課題組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該能量回收器有潛力應(yīng)用于高溫環(huán)境中的速度、加速度傳感，以及無(wú)線傳感系統(tǒng)的能量自供給。

　　該成果第一作者為工學(xué)院材料系13級(jí)博士生吳金根，研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委等項(xiàng)目的支持。

　　董蜀湘">董蜀湘教授簡(jiǎn)介：

　　董蜀湘">董蜀湘博士于2008年5月從美國(guó)Virginia Tech大學(xué)回國(guó)加入北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，受聘為特聘研究員、教授、北京大學(xué)終身教授，同時(shí)兼任美國(guó)Virginia Tech大學(xué)兼職教授。董蜀湘">董蜀湘于1993年6月獲清華大學(xué)材料科學(xué)博士學(xué)位;之后，留校工作，歷任清華大學(xué)材料系講師、副教授; 1997-1999年，董蜀湘">董蜀湘訪問新加坡國(guó)立大學(xué);2000年至2008，董蜀湘">董蜀湘先后受聘為美國(guó)賓州大學(xué)、美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)任副研究員、研究科學(xué)家。

　　董蜀湘">董蜀湘長(zhǎng)期從事壓電、鐵電、磁電功能材料與器件方面的研究，在理論和器件研究方面都頗有建樹，如在磁電功能材料的理論研究方面，創(chuàng)立了“磁-彈-電”耦合的等效電路方法，這也是目前國(guó)際上公認(rèn)的三種比較成功的理論方法之一;在壓電微馬達(dá)方面，最早發(fā)明了世界上最小的壓電微馬達(dá)，研發(fā)出低溫驅(qū)動(dòng)器、高溫壓電馬達(dá)與高溫驅(qū)動(dòng)器，以及研發(fā)出具有微納米分辨率的系列直線壓電馬達(dá);部分成果已在廈門實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化;在磁電復(fù)合材料研究領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了最強(qiáng)的磁-電耦合復(fù)合材料、發(fā)現(xiàn)磁電復(fù)合材料的超高磁場(chǎng)靈敏度、發(fā)現(xiàn)磁電材料的電壓增益效應(yīng)和電流-電壓轉(zhuǎn)換效應(yīng);在壓電換能器方面，發(fā)現(xiàn)諧振聲場(chǎng)擾動(dòng)的目標(biāo)定位方法、聲諧振腔的氫氣檢測(cè)方法等。在重要國(guó)際SCI收錄刊物上共發(fā)表文章130余篇。文章SCI總引用次數(shù)5000余次;擁有30余項(xiàng)授權(quán)美國(guó)和中國(guó)發(fā)明專利。董蜀湘">董蜀湘還在多個(gè)重要國(guó)際、國(guó)內(nèi)會(huì)議上和多所國(guó)內(nèi)外大學(xué)做特邀報(bào)告40余次，也是多個(gè)國(guó)際刊物的審稿人。董蜀湘">董蜀湘曾入選Elsevier 2014和2015年中國(guó)高被引學(xué)者(Most Cited Chinese Researchers)，入選者被認(rèn)為是最具世界影響力的中國(guó)學(xué)者之一。董蜀湘">董蜀湘發(fā)明的1.5毫米直徑壓電微馬達(dá)項(xiàng)目曾獲美國(guó)賓州州立大學(xué)MRL 2000年材料科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

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