1．目的及意义

压电陶瓷材料是一种利用压电效应来实现机械能和电能相互转换的材料，由于其本身具有脆性大、硬度高、不易变形等特点，压电陶瓷材料的应用受到了很大的限制。为了克服这种不足，美国麻省理工学院Bent等人^[1]首先设计出了压电陶瓷纤维复合材料AFC。AFC由圆柱形的压电纤维、聚合物以及叉指电极组成，这种压电陶瓷纤维复合材料其既保留了压电晶体材料的压电特性以及高灵敏度和高频率响应等优点，又克服了压电晶体材料脆性大和柔韧性差等不足。因此在驱动以及传感领域得到了广泛关注，在应用上也取得了巨大成功。但是由于其压电纤维的圆柱形设计导致制备成本高与应用受限等不足，因此，美国国家航空和宇宙航行局—兰利研究中心的研究者^[2]开发出了新一代的压电纤维复合材料MFC，MFC采用矩形截面压电纤维陶瓷，简化了加工过程，同时也提高了材料本身的应变性能。由于其具有一定应变性，所以可以应用于弯曲表面的传感器，如飞行器机翼等^[3]。Anton等^[4]还试图利用压电陶瓷纤维复合材料实现对微型无人飞机电能的供应。

同时，通过压电效应设计的器件进行能量收集的方式因技术结构简单便于集成、可以微型化并且不受电磁干扰等优点而被广泛应用于水下能量收集技术。科学家们在本世纪初就开始利用压电效应进行了河流动能与海洋能收集方面的研究。利用压电效应将水流带来的振动能量转化为电能主要有两种方式：一种是浮动式能量收集器，即通过波浪振动带动振子振动然后再转化为压电元件上的压力在转化为电能，如N.V. Viet等^[5]设计的能量收集器，当其长、宽、高、质量分别为1m、0.5m、1m、100Kg时，且波浪的振幅以及周期为2m，6S时，模拟数据显示，其功率可高达103W。另外一种方式是利用阻流体产生产生的涡流振动能量来进行发电，其特点是可以应用到低流速的河流中。2001年美国普林斯顿大学的Allen^[6]提出一种将PVDF压电薄膜放置于阻流体之后，利用卡门涡街引起压电薄膜振动从而产生电压的方法，并称之为“eel”型俘能器。同年George W. Taylor等^[7]提出将“eel”型俘能器作为海洋以及河流中的小型发电机加以应用。宋汝君等^[8]对低流速下的压电涡激俘能进行了较为深入的研究，采用末端圆柱体以及压电悬臂梁（压电纤维复合材料MFC、PZT压电单晶）构成的俘能器进行了能量采集实验，研究了不同流速、负载电阻对输出功率的影响影响。2018年日本科学家Hidemi Mutsuda等^[9]制备了一种打印柔性压电装置（FPED）用于水流能量收集，在最优情况下每个器件每天可以收集25W的电量。

目前，该领域的研究主要集中于流体力学、涡激振动方面的研究。除此之外，压电材料的柔性与压电性能是研究者们关注的重点。而现在多数研究者应用的压电单元都是具有一定柔性以及压电性能的基于PZT的MFC或者在形变方面具有优异性能的PVDF^[10]。但是基于PZT的MFC材料能承受的形变很微小，长时间承受涡激振动容易造成内部纤维断裂导致器件失效；而PVDF虽有很好的柔韧性，但是其压电性能相对较差。郭国伟等^[11]研究了不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响，实现的最高d₃₃也只有40P·CN^-1。因此不适用于压电能量收集。而PMNS纤维具有比PZT纤维更大的应变性。

基于以上情况，本课题提出一种基于PMNS的压电纤维复合材料涡激俘能装置。PMNS具有较好的压电性、较大的应变性、较高的机电耦合系数，利用其优点制备压电纤维复合材料MFC，并基于MFC搭建涡激赋能平台，以期实现绿色环保的压电自供能系统。

2. 研究的基本内容与方案

2. 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 基本内容

1、制备MFC并对纤维的物相与结构进行表征

利用配置好的PMNS粉末通过固相法制备压电陶瓷，利用切割-填充法^[12]制备压电纤维复合材料。