电活性聚合物发电基本原理及应用研究

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1、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

2、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：ＡＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＥｌｅｃｔｒｏＡｃｔｉｖｅＰｏｌｙｍｅｒＬＩＮＧｕｉｊｕａｎ１，２，ＬＩＵＧａｎｇ２，ＳＯＮＧＤｅｃｈａｏ２（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥ

3、ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ（ＤＥＡＰ）ｆｒｏｍｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｓｔａｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｓｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄ；ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅＤＥＡＰ．

4、Ｏｎｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎｏｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｃｙｃｌｅｓａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅ，ｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｅ，ａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｔｏ－ｔｙｐｅｏｆＤＥＡＰｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅＤＥＡＰｍａｔｅｒｉａｌｆｒｏｍＤａｎｆｏｓｓ；ａｎｄｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｃｙｃ

5、ｌｅｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｅ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＤＥＡＰ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ａｓｔｈｅｎｅｗｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ，ＤＥＡＰｈａｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒ（ＤＥＡＰ）；ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ

6、ｃｙｃｌｅ；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

7、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－Ｍｉｓｔｒａｌ等在人体膝盖关节安装电活性聚合物发电装置，在行走过程收集能量。国内同济大学开展了电活性聚合物发电的研究。本文分

8、析了电活性聚合物发电的基本原理，构建电活性聚合物发电实验模型，推动电活性聚合物发电产业化应用研究。［１８］［１９－２０］电活性聚合物发电的基本原理在电活性聚合物材料的上下表面涂覆屈从电极材料（如碳、石墨或银粉），形成基于