电活性聚合物发电基本原理及应用研究.doc

电活性聚合物发电基本原理及应用研究 林桂娟１，２，刘 刚２，宋德朝２ （１．厦门理工学院 机械系，福建 厦门 ３６１０２４；２．同济大学 机械工程学院，上海 ２０１８０４） 摘 要：剖析了电活性聚合物在静电场中机械能和电能相互转换的内部机理，主要针对电活性聚合物发电原 理进行分析研究。 在不考虑能量损耗的理想前提 下，探讨电活性聚合物在发电过程中 ３ 种能量循环过程。 最 后， 采用丹佛斯生产的电活性聚合物（ＤＥＡＰ）材料，建立了电活性聚合物发电机实验装置平台，分析恒电荷状态下收集 能量过程。 试验验证了电活性聚合物发电原理。 实验结果表明，作为新型智能材料的电活性聚合物在发电应用领 域前景广阔。 关键词：电活性聚合物（ＤＥＡＰ）；能量收集循环；麦克斯韦应力；恒电荷 中图分类号：ＴＮ１６ 文献标识码：Ａ ＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ＥｌｅｃｔｒｏＡｃｔｉｖｅＰｏｌｙｍｅｒ ＬＩＮ Ｇｕｉｊｕａｎ１，２，ＬＩＵ Ｇａｎｇ２，ＳＯＮＧ Ｄｅｃｈａｏ２ （１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２４ ，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ（ＤＥＡＰ）ｆｒｏｍ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｓｔａｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｓｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄ；ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓ ｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅＤＥＡＰ．Ｏｎｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎｏｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｃｙｃｌｅｓ ａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅ，ｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｅ，ａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｔｏ－ ｔｙｐｅｏｆＤＥＡＰｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅＤＥＡＰｍａｔｅｒｉａｌｆｒｏｍＤａｎｆｏｓｓ；ａｎｄｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｃｙｃｌｅｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｅ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＤＥＡＰ． Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ａｓｔｈｅｎｅｗｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ，ＤＥＡＰｈａｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ（ＤＥＡＰ）；ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｃｙｃｌｅ；Ｍａｘｗｅｌｌｓｔｒｅｓｓ；ｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｅ 域的研究一直处于远景应用方案设计阶段。 近年来，美国 ＳＲＩ、伊利诺斯州大学、丹麦 Ｄａｎ－ ｆｏｓｓＡ／Ｓ 公 司、丹 麦 科 技 大 学、挪 威 科 学 技 术 大 引言 近 １０ 年 来，新 型 智 能 材 料－电 活 性 聚 合 物 （ＤＥＡＰ），因其 独 特 的 电 性 能 和 机械性能而崭露锋 芒。电活性聚合物是指在电流、电压或电场作用下 产生物理形变的聚合物材料。与传统的压电材料相 比，这种聚合物材料 具 有应 变 能力 强，最 大 可 达 ３８０％［１］，驱动效率高，抗振 性 能 好，且 质 量 轻，密 度 低，耐 冲 击，性 能 高，是 具 有 发展潜力的仿生材料。 对电活性聚 合 物 研 究 主 要 集 中在其性能和驱动领 域。电活性聚合物在材料合成制备和加工方面都有 进步，如美国 斯 坦 福 研 究 院 （ＳＲＩ）及丹麦丹佛斯公 司都致力于相关方面的研究。 目前，这类材料已广 泛应用于各个领域，展现出良好的应用前景，如微型 机械中致动器［２－６］及传感器［７－９］，但其在发电 ［１０－１４］领 ０ 学 德国、 ［１５］、 日本 等 开 始 涉 足 电活性聚合物发电领 域的研究。ＳＲＩ已 研 发 出 波 浪 发 电 “浮 标” ［１６］和 足 跟踩踏 发 电 机［１７］。 德 国 的 Ｊｅａｎ－Ｍ