董蜀湘团队在“磁-机-电耦合能量采集”研究方面又取得重要进展

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随着第四次工业革命的到来及信息技术的飞速发展，“物联网(IoT)技术”(即实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通) 随之应运而生。由海量低功耗电子元器件构成的传感器网络(WNS)在IoT中扮演者不可或缺的重要作用。在现有的技术下，驱动这些成千上万的电子器件是通过化学电池或者电网连线的方式来提供电能，但由此会带来诸多问题：化学电池存在寿命问题，海量的使用无疑会造成环境污染；电网供能的方式又会增加系统集成的复杂度、以及海量维修成本。新生的能量采集技术可以将环境中广泛分布的机械振动能、磁场能、波浪能、太阳能等各种可再生的清洁能源转化为电能，再用来驱动海量分布的电子传感元件，这将为传感器网络(WNS)系统的无线自供能提供一种全新的途径，也为解决海量分布式传感网络供电提供了可能。磁-机-电能量采集器基于磁扭力效应和压电效应，能够同时将环境中广泛分布的磁场能和振动能同时转换为我们所需要的电能，因此在多物理场能量采集技术中成为备受瞩目的一类。至今，磁-机-电能量采集器的研究广泛使用传统的悬臂梁谐振子机械结构，由于自身不可避免的固有夹持损耗，使得其进一步提高能量转换效率和输出功率逐渐陷入了困境。
        近日，材料领域国际顶级期刊Advanced Energy Materials (2022年影响因子：29.698/JCR分区：Q1) 在线报道了董蜀湘课题组在磁-机-电耦合领域研究取得的重要进展。论文题目为：Significant Output Power Enhancement in Symmetric Dual-Mode Magneto-Mechano-Electric Coupled Resonators (DOI: 10.1002/aenm.202202306)。在本工作中，作者通过建立的修正的等效力学模型，揭示了传统单模态磁-机-电耦合谐振子存在机械损耗的本质原因。在此基础上，相应地提出了磁-机-电耦合的对称双模态谐振子设计，可有效抑制谐振子的机械损耗、大幅度提高能量采集器的磁-机-电-耦合性能和输出功率。

图1 对称双模态与修正的等效力学模型

图2 对称双模态谐振子能量采集器的磁-机-电耦合与能量采集性能

       实验上，研制了基于锆钛酸铅压电陶瓷的音叉结构对称双模态谐振子的磁-机-电耦合能量采集器; 在4 Oe的磁场激励下，制备的新型双模态磁-机-电能量采集器能够产生峰峰值功率72 mWpp (9 mWRMS) 输出，并能够直接实时驱动160盏商用LED灯。相比传统广泛使用的单模态悬臂梁谐振子能量采集器而言，输出功率提高了437%。应用实例进一步揭示：新型双模态磁-机-电耦合谐振子能量采集器能够有效地采集典型家用电器（吹风机）工作时辐射的杂散弱磁场，并能够产生峰峰值电压和功率输出分别为42Vpp 和7.5mWpp。这一输出功率足够实时驱动商用小米温度-湿度传感器，并通过蓝牙技术和手机终端进行连接。以上结果证明了本文提出的新型双模态谐振子能量采集器具备强的磁-机-电耦合能力、优异的功率输出性能以及未来在物联网系统自供能模块中的应用潜力。并且，该工作所提出的对称双模态概念将对未来所有基于振动的器件（如机电耦合器件、磁电耦合器件、磁机耦合器件等）设计都具有指导和启发意义。

图3 应用实例

        该论文的第一作者是北京大学材料科学与工程学院2020级博士生余中辉，董蜀湘教授是该论文通讯作者，深圳大学是唯一通讯单位。共同作者包括北京大学工学院2021级博士生邱昊、李法新研究员、哈尔滨工程大学储昭强副教授等。这项研究获得国家自然科学基金委（51772005）资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。
       原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202202306。
       文章来源：深圳大学
       董蜀湘教授长期从事压电、铁电、磁电功能材料与器件，以及近期的3D打印与柔性电子、压电超材料、纳米压电马达方面的研究，在压电、磁电理论和器件研究方面都颇有建树，如在压电基础理论研究方面，将超材料有序功能基元设计思想引入压电陶瓷体系，首次实现全部非零的18个压电应变系数单元，打破了传统上70多年来压电陶瓷材料只有五个非零压电系数dij的认知,这一突破性工作发表在Science advances 2019 刊物上；在磁电功能材料的理论方面，创立了“磁－弹－电”耦合的等效电路方法，是目前公认的理论方法之一。在压电微马达研究方面，最早发明了世界上最小的压电微马达，曾获美国宾州州立大学MRL 2000年材料科学进步一等奖（第一获奖人），研发出低温驱动器、高温压电马达与高温驱动器，以及研发出具有微纳米分辨率的系列直线压电马达；部分成果已在厦门实现了产业化,并成功应用于墨子号卫星空间通讯（2018）；在磁电复合材料研究领域，发现了最强的磁－电耦合复合材料、发现磁电复合材料的超高磁场灵敏度、发现磁电材料的电压增益效应和电流－电压转换效应；在压电换能器方面，发现谐振声场扰动的目标定位方法、声谐振腔的氢气检测方法等。在微能源采集方面，利用自主研发的3D打印设备，制备出国际上功率密度最高的柔性压电采能器件，在国际顶级刊物《能源与环境科学》上发表。董蜀湘在国际权威刊物Science advances, Energy and Environment Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Scientific Reports, Applied Physics Letters等，共发表SCI收录文章190余篇。文章SCI总引用次数9000余次；拥有30余项授权美国和中国发明专利。董蜀湘先后承担国家基金委重点项目1项，面上基金5项；承担国家863项目1项；承担北京市重大科技专项2项以及国防项目1项，另外承担企业合作项目多项，负责经费总计2400万余元。董蜀湘还在多个重要国际、国内会议上和多所国内外大学做特邀报告50余次，也是多个国际刊物的审稿人。董蜀湘连续多年入选Elsevier 2014-2020物理与天文领域中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）和最具世界影响力的中国学者。