一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统技术方案

本发明专利技术涉及一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，所述宽频分布式振动能量回收系统包括复合材料线缺陷声子晶体，所述复合材料线缺陷声子晶体由散射体嵌入基体中并在基体中周期阵列排布得到，其中一行散射体为缺陷散射体外包覆聚合物层形成的复合材料线缺陷结构，其余散射体为铅柱散射体。本发明专利技术获得了可以实现宽频分布式能量的回收、回收能量大、转化效率高的能量回收系统，可用于实现舰艇结构的低频宽带分布式振动能量回收，为舰艇系统状态监测无线传感器和MEMS系统提供自供电能量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于振动能量回收系统领域，具体涉及一种利用复合材料线缺陷声子晶体回收宽频分布式振动能量的能量收集转换系统。
技术介绍
为了实现能源的循环利用，振动能量回收已成为目前研究的热点问题。振动能量回收是指将环境中的振动能量通过能量回收装置转换为可利用的电能的过程。常用的振动能量回收装置主要分为静电式、电磁式以及压电式三种，其中压电式振动能量回收装置主要利用压电材料的压电效应，将外界振动能量直接转化为电能，结构简单易于集成到系统之中，是目前研究的重点。现有的压电式能量回收装置主要用于对环境中的集中式振动能量进行回收，压电材料的粘贴位置对振动能量回收的效率影响非常大，只有将压电材料贴于结构振动的最大应变处，才能产生最大的电荷量。然而自然环境中广泛存在的振动一般并非集中于某一位置，而是处于分布式状态，导致回收能量少，转化效率低。声子晶体作为一种新型功能结构材料，不仅具有独特的弹性波禁带特性，而且当声子晶体的周期结构中存在缺陷时，带隙频率范围内的弹性波将被局域在缺陷处，或沿缺陷传播，具有缺陷态特性。声子晶体的缺陷态特性具有弹性波调控作用，能够将分布式的振动能量集中于缺陷处。当在声子晶体中某一个散射体中引入具有压电效应的材料缺陷时，有可能对带隙频率范围内的振动能量进行集中回收。目前利用声子晶体点缺陷进行声能量回收主要针对缺陷态频率，即单频能量回收，禁带内其他频率能量都被反射，因此回收能量少，转化效率仍然不够理想。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，可以实现宽频分布式能量的回收，回收能量大，转化效率高，具有重要的工程应用价值。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，所述宽频分布式振动能量回收系统包括复合材料线缺陷声子晶体，所述复合材料线缺陷声子晶体由散射体嵌入基体中并在基体中周期阵列排布得到，其中一行散射体为缺陷散射体外包覆聚合物层形成的复合材料线缺陷结构，其余散射体为铅柱散射体。按上述方案，所述二维二组元声子晶体的晶格形式为正方形，铅柱散射体及缺陷散射体横截面形状为圆形。按上述方案，所述二维二组元声子晶体的晶格常数a＝10～50mm，铅柱半径r0＝0.35a，缺陷散射体半径为r＝0.05a～0.35a，聚合物层半径R＝0.35a～0.45a。按上述方案，所述基体为硅橡胶材料；所述缺陷散射体为铝柱；所述聚合物层为硅橡胶材料。按上述方案，所述宽频分布式振动能量回收系统还包括压电片，所述压电片镶嵌于聚合物层中。按上述方案，振动能量回收装置的回收频率范围为0～1000Hz。本专利技术所述的基于线缺陷声子晶体复合材料制备的宽频分布式振动能量回收系统主要在保证二维硅橡胶-铅柱正方晶格点阵声子晶体完整性的前提下，将某一行铅柱散射体替换为由橡胶包覆铝柱构成的铝芯材料，从而在声子晶体中形成具有压电效应的线缺陷，并在线缺陷声子晶体复合材料中嵌入压电材料。当理想声子晶体中引入橡胶包覆铝柱构成的铝芯材料线缺陷时，禁带频率范围内出现了数条相互耦合的缺陷能带，使禁带内出现导波频率，导波频率范围内的弹性波能够在声子晶体中沿着线缺陷传播，嵌入在线缺陷声子晶体复合材料中的压电材料能够实现宽频分布式振动能量的集中回收。本专利技术的有益效果在于：现有技术中利用声子晶体点缺陷进行声能量回收主要利用声子晶体点缺陷进行声能量回收，而且比较典型的获得缺陷态的方法一般为移除散射体或者改变散射体结构参数，所达到的效果并不理想，能量回收率低，而本专利技术设计线缺陷声子晶体能量回收系统，解决了点缺陷声子晶体窄频能量回收的问题，并采用橡胶包覆铝柱构成的铝芯材料替换铅柱形成缺陷，获得了可以实现宽频分布式能量的回收、回收能量大、转化效率高的能量回收系统，可用于实现舰艇结构的低频宽带分布式振动能量回收，为舰艇系统状态监测无线传感器和MEMS系统提供自供电能量。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的复合材料线缺陷声子晶体结构示意图；图2(a)为理想二维二组元声子晶体原胞模型，图2(b)为理想二维二组元声子晶体5×5超原胞模型，图2(c)为复合材料线缺陷声子晶体5×5超原胞模型；图3为图2所述三种结构的能带结构图，其中图3(a)为理想二维二组元声子晶体原胞的能带结构图，图3(b)为理想二维二组元声子晶体5×5超原胞模型的能带结构图，图3(c)为复合材料线缺陷声子晶体5×5超原胞模型的能带结构图；图4为实施例1所制备的复合材料线缺陷声子晶体的缺陷态本征位移场。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。实施例1本专利技术所述的基于线缺陷声子晶体复合材料得到的宽频分布式振动能量回收系统中，理想声子晶体由铅柱B按正方晶格周期性点阵分布于硅橡胶基体A中形成，线缺陷材料是由硅橡胶D包覆铝柱C构成的铝芯材料，在硅橡胶D中嵌入压电材料，用于实现振动能量回收。理想声子晶体原胞晶格常数为a，铅柱散射体半径为r；线缺陷材料单元结构中铝柱半径为r，硅橡胶D半径为R。图1和图2(c)为线缺陷声子晶体复合材料结构示意图(结构参数：a＝10mm；r＝3.5mm；R＝4.5mm)。所用材料参数：硅橡胶基体材料A(密度1300Kg/m3；弹性模量1.175×105Pa；泊松比0.469)；铅柱散射体材料B(密度11600Kg/m3；弹性模量4.08×1010Pa；泊松比0.3691)；线缺陷材料硅橡胶材料D(密度1300Kg/m3；弹性模量1.175×105Pa；泊松比0.469)；线缺陷材料铝柱C(密度2730Kg/m3；弹性模量6.69×1010Pa；泊松比0.35)。图2(a)为理想声子晶体原胞模型，图2(b)为理想声子晶体5×5超原胞模型，根据图2的结构和选定的材料与结构参数，得到了三种结构相应的能带结构如图3所示。由图可知，理想声子晶体结构在0-900Hz频率范围内存在一个完全禁带，禁带位于434-736Hz之间；超原胞结构的能带结构图与原胞结构的能带结构图吻合较好；当理想声子晶体中引入线缺陷材料时，禁带频率范围内出现了数条缺陷能带，缺陷能带之间的耦合作用导致禁带宽度的变窄和波导的形成。为了清晰直观说明线缺陷声子晶体复合材料的振动能量局域化特性，我们通过有限元算法计算了线缺陷态复合材料的本征位移场如图4所示，其中图4(a)与(b)分别为线缺陷声子晶体复合材料能带结构图中两条典型的缺陷能带所对应的缺陷态。从图中可以发现，当在理想声子晶体中引入线缺陷材料时，声子晶体材料线缺陷态对应的位移场都集中在材料线缺陷处，材料线缺陷的引入导致特定频率的弹性波沿着线缺陷传播，可以在理想声子晶体禁带范围内形成弹性波导，相应频段的分布式振动能量沿着线缺陷传播。具有压电效应的复合材料线缺陷声子晶体结构对于导波频率的弹性波振动能量具有集中回收特性，使局域化的能量转化为电能，实现宽频分布式振动能量回收。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，其特征在于，所述宽频分布式振动能量回收系统包括复合材料线缺陷声子晶体，所述复合材料线缺陷声子晶体由散射体嵌入基体中并在基体中周期阵列排布得到，其中一行散射体为缺陷散射体外包覆聚合物层形成的复合材料线缺陷结构，其余散射体为铅柱散射体。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，其特征在于，所述宽频分布式振动能量回收系统包括复合材料线缺陷声子晶体，所述复合材料线缺陷声子晶体由散射体嵌入基体中并在基体中周期阵列排布得到，其中一行散射体为缺陷散射体外包覆聚合物层形成的复合材料线缺陷结构，其余散射体为铅柱散射体。2.根据权利要求1所述的复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，其特征在于，所述二维二组元声子晶体的晶格形式为正方形，铅柱散射体及缺陷散射体横截面形状为圆形。3.根据权利要求2所述的复合材料线缺陷声子晶体宽频分布式振动能量回收系统，其特征在于，所述二维二组元声子晶体的晶格常数a...

【专利技术属性】
技术研发人员：李应刚，朱凌，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42