6、提升能量收集效率的创新设计与人体能量收集探索

提升能量收集效率的创新设计与人体能量收集探索

1. 非均匀拉胀设计在能量收集领域的潜力

非均匀拉胀设计在提升振动能量收集器的功率输出方面展现出了巨大的潜力。例如，在拉胀区域中间的梁或铰链可以比周边的更窄，通过在一些几何参数上采用径向位置相关性来实现。在考虑上述拉胀设计中的应力集中情况时，如特定设计中，拉胀区域与基板其余部分连接的地方通常会出现最大的基板应力，而压电材料在这些区域的应力往往最低。这些区域承受着最直接的应变，但却最不容易弯曲。

为了改善这种情况，可以在凹角蜂窝梁中设置闪电形扭结，这能够增加基板的柔韧性，使其表现出更多的拉胀行为。这样一来，拉胀区域能够均匀地向外弯曲，从而更均匀地使压电材料产生应变，在不过度施加应力的情况下输出更多的功率。

此外，还可以在宏观纤维复合材料（MFC）的纤维之间构建狭缝，以促进其运动，这与在聚偏二氟乙烯（PVDF）薄片上设置狭缝的工作类似。如果这些狭缝能以某种方式与拉胀基板对齐（不一定与基板形状完全匹配），就可以允许更自由的运动，从而从受应变的压电纤维中诱导出更多的电能。不过，需要进行长期的现场测试，以确保这些切口不会导致MFC严重退化。

2. 压电复合材料的进一步发展

压电复合材料的进一步发展也能够支持拉胀能量收集器。MFC由平行纤维制成，因此基板的拉胀特性仅得到了部分利用。在纤维之间拉开聚合物封装时，不可避免地会损失一些横向应变。如果将纤维排列成螺旋形、锯齿形或交错排列，就可以更好地利用横向运动。通过与基板协同设计纤维排列方式，可以进一步提高拉胀集中带来的益处。然而，制造这些先进的复合材料是具有挑战性的，不过可以通过烧结或激光切割较粗的纤维来制成所需的形状。

3. 三维拉胀