综述：压电能量收集的进展：材料、构型与功率优化策略

《Results in Engineering》：Advances in Piezoelectric Energy Harvesting: Materials, Configurations, and Power Optimisation Strategies

这篇综述系统回顾了压电能量收集（PEH）技术，重点探讨了材料类别（如铁电体PZT、非铁电体ZnO、柔性聚合物PVDF）、机电特性及器件架构。文章通过归一化功率密度荟萃分析指出，陶瓷PZT收集器能量输出最高，而柔性/混合系统在低频动态条件下适应性更优。作者强调，需建立标准化评估协议以解决当前性能数据可比性差的问题，并展望了通过多模态能量转换和机电耦合优化推动PEH在可穿戴设备、物联网及生物医学等领域应用的前景。

　　

压电特性与材料类型

压电性是一种源于晶格内正负离子相对位移导致电荷转移的物理现象。压电材料广泛涵盖陶瓷（如PZT、BaTiO₃）、聚合物（如PVDF、PVDF-TrFE）、两性氧化物（如ZnO、AlN）及生物材料（如胶原、丝绸）等。铁电性作为压电材料的关键特性，指材料存在可被外电场翻转的自发极化（如PZT、PVDF），其高压电系数d₃₃使其在能量转换中效率显著高于非铁电材料（如ZnO）。材料性能可通过掺杂（如PZT中添加Mn、La）或复合结构（如陶瓷-聚合物复合物）优化，以平衡柔性、输出功率与稳定性。

铁电相与压电能量收集

铁电材料（如PZT）通过极化处理使电畴定向排列，在机械应力下产生高电压输出，但其脆性和铅基成分的环境问题限制了部分应用。非铁电材料（如ZnO）虽无自发极化，但通过缺陷工程或异质结设计可诱导类铁电行为，适用于柔性纳米发电机（NG）。当前研究致力于开发无铅材料（如KNN、BaTiO₃）和生物相容性聚合物，以满足可穿戴设备和植入式医疗器件的需求。例如，ZnO纳米线发电机可输出高达5.3 mW/cm³的功率，并能直接刺激蛙坐骨神经，展示其在生物电疗法的潜力。

理论背景与性能优化

压电本构方程（如S=sT+d^tE, D=dT+εE）描述了应力（T）、应变（S）、电场（E）与电位移（D）的耦合关系。性能优值（FOM）如d₃₃·g₃₃或机电耦合系数k²常用于评估能量收集效率。软性陶瓷（如掺杂PZT）具有高d₃₃但低机械品质因数Q_m，适用于宽频能量采集；而硬性陶瓷（如石英）Q_m高，适合谐振应用但功率输出较低。通过结构设计（如悬臂梁、拱形结构）可增强机械应变传递，而阻抗匹配电路（如SSHI技术）能提升能量提取效率。

材料优化与混合系统

复合材料（如BaTiO₃-PVDF）通过陶瓷填料提高d₃₃，同时保持聚合物柔性。混合能量收集系统（如压电-摩擦电、压电-电磁）能协同环境中的多种能源（振动、热量、光能），显著提升输出功率。例如，压电-摩擦电混合发生器可点亮600个LED，功率密度达4.44 mW/cm²。此外，人工智能辅助优化（如机器学习调参）正在成为设计高性能PEH器件的新兴工具。

性能分析与挑战

荟萃分析显示，陶瓷PEH功率密度中位数达39 μW/cm²，稳定性最佳；柔性PEH虽可实现超高输出（如15,875 μW/cm²），但数据离散大（标准差3543.83），可靠性待提升。疲劳寿命是实用化关键：陶瓷PEH在10⁶-10⁸次循环后可能因裂纹扩展失效，而柔性聚合物（如PVDF）可耐受10⁹次循环但易受紫外线老化。标准化评估缺失导致不同研究间的功率、充电时间等参数难以直接比较，成为领域发展的主要瓶颈。

新兴趋势与应用前景

未来研究将聚焦于多功能混合收集器、可降解材料（如PLA支架）及AI驱动设计。在生物医学领域，压电贴片可用于呼吸监测、神经刺激和组织工程（如3D打印支架）。随着物联网和低功耗电子设备需求增长，PEH技术有望在智能城市、远程医疗等领域成为可持续能源解决方案。