據麥姆斯咨詢介紹，壓電材料在傳感器、執行器和能量收集器方面擁有巨大的應用前景，但通常在高溫條件下性能會變得很差，限制了其在發動機、太空探索等惡劣環境中的應用。然而，賓夕法尼亞州立大學（Penn State）和QorTek公司的聯合研究小組近期開發的一種新型壓電器件在高溫下仍然表現良好。

賓夕法尼亞州立大學材料研究所（MRI）的負責人Clive Randall與來自QorTek公司的研究人員合作開發了這種壓電材料和器件，QorTek公司專門從事智能材料器件和高密度電力電子研發工作。

“美國宇航局（NASA）需要解決的問題是如何在電池難以更換的偏遠地區為電子設備供電。”Clive Randall說，“他們還需要自供電傳感器，以監測發動機的工作穩定性。由于這些器件需要在火箭發射和其他高溫情況下工作，因此傳統的壓電器件通常會因為高溫而失效。”

壓電材料在振動或運動過程中由于機械力（例如來自發動機）的作用會壓縮或拉伸，從而產生電荷。因此，它可以用作測量壓力、溫度、應變或加速度變化的傳感器。壓電材料也可以制作成能量收集器，為橋梁狀態監測傳感器、智能手環等個人電子設備提供電能。

上述研究小組將新材料制作成壓電雙晶片（bimorph），并應用于壓電能量收集器。壓電雙晶片具有兩個壓電層，其形狀和組裝方式可以最大限度地提高能量收集效率。傳感器或能量采集器在工作時會造成壓電雙晶片結構的彎曲，進而產生電信號以用于測量或充當電源。

不幸的是，上述功能在高溫環境下工作效率較低。目前最先進的壓電能量收集器的最大有效工作溫度范圍通常限制在176華氏度（80攝氏度）到248華氏度（120攝氏度）。

“壓電材料的一個基本問題是，當溫度超過120攝氏度時，其性能開始顯著下降，到200攝氏度以上時，其性能幾乎完全喪失。”QorTek公司首席技術官Gareth Knowles說道，“我們的研究為美國宇航局提供了一種可行的解決方案。”

研究小組開發的新型壓電材料在高達250攝氏度的溫度環境下表現出近乎恒定的有效性能。此外，研究人員在《應用物理學雜志》（Journal of Applied Physics）上介紹說，雖然在高于250攝氏度的溫度下，這種材料的性能會逐漸下降，但在高于300攝氏度的溫度下，作為能量收集器或傳感器仍然有效。

Gareth Knowles繼續說：“這種新型復合材料在高溫環境下的性能與在室溫下一樣好，這還是第一次！因為從來沒有人能夠研發出在如此高溫下有效工作的壓電材料。”

將機械振動轉換為電能的壓電能量收集器示意圖

這種材料的另一個好處是大幅提升了能量收集器的發電能力。Clive Randall稱，雖然目前壓電能量收集器還沒有達到太陽能電池的發電水平，但這種新型材料的性能足以為其他應用打開可能性。

Clive Randall說：“這項技術的發電能力令人印象深刻，表現出創紀錄的性能效率。這將有可能在黑暗或隱蔽的環境中（例如在汽車系統內，甚至人體內）實現連續、無電池供電。”

Clive Randall和Gareth Knowles都指出，賓夕法尼亞州立大學和QorTek公司之間的合作關系可以追溯到20多年前，通過互補彼此的資源，開發出新型/改進的壓電材料。

Gareth Knowles表示：“總體上，這種合作關系的一大好處是，你可以利用賓夕法尼亞州立大學在該領域擁有的巨大知識庫，而像我們這樣的小公司有時則沒有。另一個好處是，大學通常擁有一些物理資源，比如重要的工藝設備，而這些資源在一家小公司里通常是找不到的。”

Clive Randall指出，由于QorTek公司有許多員工都是賓夕法尼亞州立大學的校友，因此他們對研究主題和相關人員都很熟悉。

Clive Randall繼續說：“我的一位博士后研究員、論文第一作者Wei-Ting Chen被QorTek公司聘用，因此在這種情況下可以轉移專業知識。此外，QorTek公司提供的技能，例如機械工程、器件設計和測量專業知識，推動了研發速度（遠遠快于我們的預期）。因此，這種伙伴關系使該項目得到了真正卓有成效的擴展。”

美國宇航局的小企業技術轉讓項目和國家科學基金會資助了這項研究工作。

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