一種復合材料線缺陷聲子晶體寬頻分布式振動能量回收系統的制作方法

本發明屬于振動能量回收系統領域，具體涉及一種利用復合材料線缺陷聲子晶體回收寬頻分布式振動能量的能量收集轉換系統。

背景技術：

為了實現能源的循環利用，振動能量回收已成為目前研究的熱點問題。振動能量回收是指將環境中的振動能量通過能量回收裝置轉換為可利用的電能的過程。常用的振動能量回收裝置主要分為靜電式、電磁式以及壓電式三種，其中壓電式振動能量回收裝置主要利用壓電材料的壓電效應，將外界振動能量直接轉化為電能，結構簡單易于集成到系統之中，是目前研究的重點。現有的壓電式能量回收裝置主要用于對環境中的集中式振動能量進行回收，壓電材料的粘貼位置對振動能量回收的效率影響非常大，只有將壓電材料貼于結構振動的最大應變處，才能產生最大的電荷量。然而自然環境中廣泛存在的振動一般并非集中于某一位置，而是處于分布式狀態，導致回收能量少，轉化效率低。

聲子晶體作為一種新型功能結構材料，不僅具有獨特的彈性波禁帶特性，而且當聲子晶體的周期結構中存在缺陷時，帶隙頻率范圍內的彈性波將被局域在缺陷處，或沿缺陷傳播，具有缺陷態特性。聲子晶體的缺陷態特性具有彈性波調控作用，能夠將分布式的振動能量集中于缺陷處。當在聲子晶體中某一個散射體中引入具有壓電效應的材料缺陷時，有可能對帶隙頻率范圍內的振動能量進行集中回收。目前利用聲子晶體點缺陷進行聲能量回收主要針對缺陷態頻率，即單頻能量回收，禁帶內其他頻率能量都被反射，因此回收能量少，轉化效率仍然不夠理想。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種復合材料線缺陷聲子晶體寬頻分布式振動能量回收系統，可以實現寬頻分布式能量的回收，回收能量大，轉化效率高，具有重要的工程應用價值。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

提供一種復合材料線缺陷聲子晶體寬頻分布式振動能量回收系統，所述寬頻分布式振動能量回收系統包括復合材料線缺陷聲子晶體，所述復合材料線缺陷聲子晶體由散射體嵌入基體中并在基體中周期陣列排布得到，其中一行散射體為缺陷散射體外包覆聚合物層形成的復合材料線缺陷結構，其余散射體為鉛柱散射體。

按上述方案，所述二維二組元聲子晶體的晶格形式為正方形，鉛柱散射體及缺陷散射體橫截面形狀為圓形。

按上述方案，所述二維二組元聲子晶體的晶格常數a＝10～50mm，鉛柱半徑r₀＝0.35a，缺陷散射體半徑為r＝0.05a～0.35a，聚合物層半徑R＝0.35a～0.45a。

按上述方案，所述基體為硅橡膠材料；所述缺陷散射體為鋁柱；所述聚合物層為硅橡膠材料。

按上述方案，所述寬頻分布式振動能量回收系統還包括壓電片，所述壓電片鑲嵌于聚合物層中。

按上述方案，振動能量回收裝置的回收頻率范圍為0～1000Hz。

本發明所述的基于線缺陷聲子晶體復合材料制備的寬頻分布式振動能量回收系統主要在保證二維硅橡膠-鉛柱正方晶格點陣聲子晶體完整性的前提下，將某一行鉛柱散射體替換為由橡膠包覆鋁柱構成的鋁芯材料，從而在聲子晶體中形成具有壓電效應的線缺陷，并在線缺陷聲子晶體復合材料中嵌入壓電材料。當理想聲子晶體中引入橡膠包覆鋁柱構成的鋁芯材料線缺陷時，禁帶頻率范圍內出現了數條相互耦合的缺陷能帶，使禁帶內出現導波頻率，導波頻率范圍內的彈性波能夠在聲子晶體中沿著線缺陷傳播，嵌入在線缺陷聲子晶體復合材料中的壓電材料能夠實現寬頻分布式振動能量的集中回收。

本發明的有益效果在于：現有技術中利用聲子晶體點缺陷進行聲能量回收主要利用聲子晶體點缺陷進行聲能量回收，而且比較典型的獲得缺陷態的方法一般為移除散射體或者改變散射體結構參數，所達到的效果并不理想，能量回收率低，而本發明設計線缺陷聲子晶體能量回收系統，解決了點缺陷聲子晶體窄頻能量回收的問題，并采用橡膠包覆鋁柱構成的鋁芯材料替換鉛柱形成缺陷，獲得了可以實現寬頻分布式能量的回收、回收能量大、轉化效率高的能量回收系統，可用于實現艦艇結構的低頻寬帶分布式振動能量回收，為艦艇系統狀態監測無線傳感器和MEMS系統提供自供電能量。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的復合材料線缺陷聲子晶體結構示意圖；

圖2(a)為理想二維二組元聲子晶體原胞模型，圖2(b)為理想二維二組元聲子晶體5×5超原胞模型，圖2(c)為復合材料線缺陷聲子晶體5×5超原胞模型；

圖3為圖2所述三種結構的能帶結構圖，其中圖3(a)為理想二維二組元聲子晶體原胞的能帶結構圖，圖3(b)為理想二維二組元聲子晶體5×5超原胞模型的能帶結構圖，圖3(c)為復合材料線缺陷聲子晶體5×5超原胞模型的能帶結構圖；

圖4為實施例1所制備的復合材料線缺陷聲子晶體的缺陷態本征位移場。

具體實施方式

為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

實施例1

本發明所述的基于線缺陷聲子晶體復合材料得到的寬頻分布式振動能量回收系統中，理想聲子晶體由鉛柱B按正方晶格周期性點陣分布于硅橡膠基體A中形成，線缺陷材料是由硅橡膠D包覆鋁柱C構成的鋁芯材料，在硅橡膠D中嵌入壓電材料，用于實現振動能量回收。理想聲子晶體原胞晶格常數為a，鉛柱散射體半徑為r；線缺陷材料單元結構中鋁柱半徑為r，硅橡膠D半徑為R。圖1和圖2(c)為線缺陷聲子晶體復合材料結構示意圖(結構參數：a＝10mm；r＝3.5mm；R＝4.5mm)。

所用材料參數：硅橡膠基體材料A(密度1300Kg/m³；彈性模量1.175×10⁵Pa；泊松比0.469)；鉛柱散射體材料B(密度11600Kg/m³；彈性模量4.08×10¹⁰Pa；泊松比0.3691)；線缺陷材料硅橡膠材料D(密度1300Kg/m³；彈性模量1.175×10⁵Pa；泊松比0.469)；線缺陷材料鋁柱C(密度2730Kg/m³；彈性模量6.69×10¹⁰Pa；泊松比0.35)。

圖2(a)為理想聲子晶體原胞模型，圖2(b)為理想聲子晶體5×5超原胞模型，根據圖2的結構和選定的材料與結構參數，得到了三種結構相應的能帶結構如圖3所示。由圖可知，理想聲子晶體結構在0-900Hz頻率范圍內存在一個完全禁帶，禁帶位于434-736Hz之間；超原胞結構的能帶結構圖與原胞結構的能帶結構圖吻合較好；當理想聲子晶體中引入線缺陷材料時，禁帶頻率范圍內出現了數條缺陷能帶，缺陷能帶之間的耦合作用導致禁帶寬度的變窄和波導的形成。為了清晰直觀說明線缺陷聲子晶體復合材料的振動能量局域化特性，我們通過有限元算法計算了線缺陷態復合材料的本征位移場如圖4所示，其中圖4(a)與(b)分別為線缺陷聲子晶體復合材料能帶結構圖中兩條典型的缺陷能帶所對應的缺陷態。從圖中可以發現，當在理想聲子晶體中引入線缺陷材料時，聲子晶體材料線缺陷態對應的位移場都集中在材料線缺陷處，材料線缺陷的引入導致特定頻率的彈性波沿著線缺陷傳播，可以在理想聲子晶體禁帶范圍內形成彈性波導，相應頻段的分布式振動能量沿著線缺陷傳播。具有壓電效應的復合材料線缺陷聲子晶體結構對于導波頻率的彈性波振動能量具有集中回收特性，使局域化的能量轉化為電能，實現寬頻分布式振動能量回收。