[发明专利]一种一阶振动悬臂梁压电发电复合结构

说明书

本发明属于功能材料技术领域。在一阶振动模态下，以复合材料作为悬臂梁支撑载体，在靠近悬臂梁固定端和表面层设置压电材料，或者集成并联压电材料，采用真空辅助灌胶工艺制备。本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，支撑结构(1)为织物增强复合材料；压电材料由n层压电材料(2)组成，分别单层夹在织物中间、并联输出，n为自然数，总厚度不超过支撑结构厚度的1/5。该一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，可设计性强，发电效率高，输出功率大，具有良好的结构强度，实现结构功能一体化，适用于为低功耗电子元器件供电领域，特别适用于巡飞弹弹翼、直升机旋翼、飞机机翼、卫星展翼等。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及压电发电材料设计技术，特别涉及以复合材料为支撑载体的复合压电结构的设计技术。

背景技术

压电材料是一种机电转换材料，可以将振动能量转换为电能。利用压电材料制作的悬臂梁振动发电结构具有振动应变大，发电性能高，可设计性强的优点。悬臂梁存在多阶振动模态，其中一阶结构振动应变大、与激励源容易匹配，振动发电性能高，是目前悬臂梁发电结构主要利用的振动模态。

CN 103227586 A报道了一种“分叉式悬臂梁振动发电机及其发电方法”，见附图1。由多根分叉式金属悬臂梁构成，悬臂梁支撑结构1为金属板，根部附近表面粘贴压电陶瓷片2，端部粘贴质量块3，组合后的悬臂梁固定在振源上，当振源振动时，激发悬臂梁振动，悬臂梁上粘贴的压电陶瓷片产生伸缩变形，从而将振动能量转化为电能，通过整流储存电路进行收集利用。该发明的特点是：多根分叉式悬臂梁具有不同的谐振频率，能够响应不同的外部激振频率，拓宽频响范围。

US 7649305 B2报道了“压电能量收集装置”，见附图2。该装置由能够感受空间三维振动的多组压电悬臂梁组成，无论外部振动是x，y，z三个方向中的哪一个方向，都能够激发多根悬臂梁振动，产生电能。其每一个悬臂梁也是由中间金属薄片、薄片上下粘贴的压电陶瓷双晶片组成。

通常，压电发电装置由多根压电悬臂梁组成，每根压电悬臂梁由中间金属层支撑结构1、粘贴在金属薄片上下表面的压电陶瓷片2组成，见附图3。悬臂梁一端与基座4连接，作为固定端，另一端悬空，作为自由端，并与质量块3连接，当基座振动时，悬臂梁产生应变，上下两层压电材料产生电荷，通过外设的整流电路、储能电路可产生电能输出。

现有文献报道的压电悬臂梁不能单独作为结构部件使用。

发明内容

本发明目的在于提供一种既具有振动发电性能，又可作为结构部件使用的压电发电复合结构。

本发明是这样实现的：在一阶振动模态下，以复合材料作为悬臂梁支撑结构载体，在靠近悬臂梁固定端和表面层设置压电材料，或者集成并联压电材料，使压电发电材料的振动发电能力得到最大程度发挥；采用真空辅助灌胶工艺制备。

本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，其特征在于：所述支撑结构1为织物增强复合材料；所述压电材料由n层压电材料2组成，分别单层夹在织物中间、并联输出，n为自然数，总厚度不超过支撑结构厚度的1/5；压电材料布设在长度方向自固定端起2/3范围内、厚度方向距表面1/3范围内，结构如附图4所示。

本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，其特征在于：压电材料2布设在自支撑结构长度方向固定端起1/2范围内、厚度方向布设在距表面1/4范围内。

本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，其特征在于：n介于2～20之间。

本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，其特征在于：压电材料间的间隔不少于2层织物。

本发明涉及的一阶振动悬臂梁压电发电复合结构，由压电材料和支撑结构组成，其特征在于：压电材料在厚度方向双面布设，布设结构和布设方式彼此独立。