CN111181440A - 一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，包括压板、金属架和封装盒，压板安装于路面安装槽中，压板配置有弹性回复机构，封装盒内部空间横向分隔为三个隔间，中间隔间放置电路板，两侧隔间侧板上设置有用于固定压电陶瓷片的多对夹持装置，每对夹持装置夹住并横向固定有一个压电陶瓷片，金属架上端固定在压板上、下端向下穿过土体压迫各压电陶瓷片，各压电陶瓷片与安装于中间的隔间的电路板连接，压板受压可在路面安装槽中沉降，进而向下推动所述压电陶瓷片。本发明还公开一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法。该压电陶瓷转换装置的结构更稳定，车辆荷载传递传递更充分，压电陶瓷片变形更大，进而使电能收集量更大。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，尤其是一种能够传递车辆荷载和控制压电陶瓷片变形的钙钛矿型无铅压电陶瓷转换装置结构，适用于各种类型的道路，属于道路工程领域，其中的压电陶瓷片涉及到材料方面的领域，所以也属于材料工程领域。本发明还涉及上述一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置及其制作方法。
背景技术
随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，我国公路建设也在快速发展，公路运输在国民经济发展中的地位日益凸显，已经成为了国家经济建设的重要组成部分。我国仅用了20多年的时间，以惊人的速度完成了发达国家用半个多世纪所达成的高速公路发展成就。
因为我国修建了大量的公路，所以需要修建的道路附属设施的数量也是巨大的，比如城市道路的路灯，公路的道路健康检测系统，公路车速监视器等等，这些附属设施都需要修建配套的能源供给设施。然而有许多道路修建地点偏僻，不利于修建能源设施，并且我国的公路有数量多，地形复杂，里程长等特点，如果每条公路都修建能源设施，所需要的资金太大，但是公路的正常使用和公路的维护又离不开电力能源的供给，所以如何方便的获取经济的电力能源是需要解决的问题。
道路因为长期经受车辆荷载的作用，会产生大量的机械能，所以可以用压电陶瓷片为材料制作出一种能将车辆荷载产生的压力转化为电能的装置。压电陶瓷片的组成结构对发电效率有显著的影响。目前经典的结构有堆叠型、月牙型、桥型等，但都存在着结构不稳定、压电陶瓷片变形过小、车辆荷载传递不充分以及压电陶瓷片含铅量过高造成环境污染等问题。本专利是以解决以上存在的问题为目的，发明了一种能够传递车辆荷载和控制压电陶瓷片变形的钙钛矿型无铅压电陶瓷转换装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，该压电陶瓷转换装置的结构更稳定，车辆荷载传递传递更充分，压电陶瓷片变形更大，进而使电能收集量更大。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法。
为此，本发明提供的一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，包括压板、金属架和封装盒，压板安装于路面安装槽中，压板配置有弹性回复机构，封装盒内部空间横向分隔为三个隔间，中间的隔间放置电路板，两侧隔间的侧板上设置有用于固定压电陶瓷片的多对夹持装置，每对夹持装置夹住并横向固定有一个压电陶瓷片，所述金属架上端固定在压板上、下端向下穿过土体压迫各压电陶瓷片，各压电陶瓷片与安装于中间的隔间的电路板连接，所述压板受压可在路面安装槽中沉降，进而向下推动所述压电陶瓷片。
进一步的，所述封装盒包括内盒和外保护盒，外保护盒厚度为10mm、长度424mm，内盒和外保护盒之间的夹层中安装硅橡胶垫，橡胶垫厚度为10mm，并灌入防水胶，使得外保护盒、橡胶垫和封装盒紧密贴在一起。
进一步的，所述内盒底部固定有多个用来放置干燥剂的小矩形盒，小矩形盒中设置有干燥剂。
进一步的，所述弹性回复机构包括弹簧安装槽和弹簧，弹簧安装槽开设于所述压板四角下方的路面上，所述弹簧设置于弹簧安装槽中。
进一步的，所述封装盒的外保护盒采用MC尼龙材料制成。
进一步的，所述压板呈矩形，压板尺寸为400mm×500mm×45mm，所述金属架采用直径为6mm的HPB300钢筋制成，所述金属架通过焊接与所述压板固定连接，金属架向下延伸的长度为90mm，所述金属架上横向设置有横杆，横杆长度为300mm。
进一步的，所述封装盒尺寸为400mm×400mm×300mm，封装盒埋置深度为450mm，封装盒内设置有夹持装置以固定所述金属架和压电陶瓷片，所述夹持装置和封装盒固定一体，使用M4螺钉和螺栓夹持压电陶瓷片和铁架。
本发明提供的上述一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法，包括以下步骤：
1）首先将压电陶瓷片采用夹持装置夹持在封装盒内，并安装好电路板和干燥剂，之后在路面上用切割机切割出一个路面安装槽，根据封装盒的尺寸，路面安装槽要比封装盒周边略大2mm，然后取出沥青块后，用喷灯烘干路面安装槽内由于切割时留下的水分，用水泥砂浆对路面安装槽底部进行抹平，以保证封装盒的底部与路面基层顶部接触充分平实，待水泥砂浆产生一定强度后，放入压电转换装置封装盒，期间对底部不平整处进行再处理；
（2）将所述金属架与压板焊接成一体，然后将金属架安装进封装盒内，保证金属架的横杆与压电陶瓷片充分接触，之后盖上封装盒盖子并用螺丝钉拧紧固定，然后用灌封胶对封装盒周围缝隙进行灌缝，之后用水泥砂浆回填至路面高度；
（3）水泥砂浆回填好后，在强度未形成前在矩形板的四个角下方制作四个弹簧安装槽，然后用沥青将弹簧固定在弹簧安装槽内并给弹簧安装保护套，结构至此安装完成。
进一步的，所述封装盒的外保护盒采用MC尼龙制成，外保护盒的制作过程是以碱性物质作催化剂，将熔融的原料己内酰胺单体和活化剂等一起制成待聚单体，然后注入模具内进行聚合反应，将其凝结成坚韧的固体胚件；再通过激光雕刻处理工艺，得到预定的制品；所述压电陶瓷片采用含有锂锑的新型钙钛矿无铅压电陶瓷片制成，尺寸为100mm×20mm×2mm，其d33、Kp和介电常数分别为285 pC/N、50%和1370。
进一步的，所述无铅压电陶瓷片是以K2CO3、Na2CO3、Sb2O3、Li2CO3和Nb2O5 为原料，首先使用ZrO2作为研磨介质，将粉末在容器中干燥混合后，再在900℃下煅烧4小时，以形成所需的钙钛矿相。将粉碎后的煅烧球团再次研磨12小时，然后添加聚乙烯醇，并在一定压力下压入直径为30mm、厚度为1.5mm的圆盘中，通过将圆盘加热至650°C来去除粘合剂，然后在1100°C下致密3.5小时，接着对圆盘进行抛光并在其表面电镀银浆，最后将其放入硅油中，在30kv/cm电场下以小电流提供高极化电压的方式进行极化。
本发明的技术效果：
1、本发明产生的位移距离可控并且更大，其原理如下：当车辆通过对压板产生向下压力时，压板就会带动金属架向下压缩压电陶瓷片，而当车辆通过后压缩弹簧会将压板再次顶起，此时压电陶瓷转换装置的压电陶瓷片就能够恢复到初始工作状态。由于路面限制了压板的位移造成压板只能位移到和路面贴合，所以压板的位移量就是它的设置高度，那么压板向下移动的过程中顺势带动金属架的位移就与压板设置高度相同。当金属架向下移动时，压电陶瓷片会因为横杆的挤压产生竖向位移，压电陶瓷片竖向位移的距离就是金属架向下的位移距离。基于这个工作原理，只要将压板的安装高度设置成压电陶瓷片的要求位移距离，就能控制压电陶瓷片的变形程度，并使压电陶瓷片的竖向变形量更大，能够获得的电能更多。
2、传统压电陶瓷片受力特征是能够很好承受均布荷载，承受集中荷载和冲击荷载时表现较差，本发明的压电陶瓷片上的压杆在受力时，应力通过压杆从压电陶瓷片的中心均匀分布，使应力作用于压电陶瓷片的整个区域，有利于提高压电陶瓷片的发电效率。
3、本发明使用的压电陶瓷片是含有锂锑的钙钛矿无铅压电陶瓷片，期制作过程中没有铅元素的掺入，制成的钙钛矿无铅压电陶瓷片不但具有很好的介电和压电性能，而且更加环保。
附图说明
图1为本发明提供的一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的结构横向剖视示意图。
图2为图1的A-A剖视示意图。
图3为图1中的封装盒及其中部件的俯视示意图。
图4为图1中的压板和金属架的立体结构示意图。
图5为图4中的横杆的结构示意图。
图6为图4中金属架的立体结构示意图。
具体实施方式：
参照图1-6所示，本发明提供的一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，包括压板1、金属架2和封装盒3，压板1安装于路面安装槽4中，压板1配置有弹性回复机构，弹性回复机构包括弹簧安装槽6和弹簧7，弹簧安装槽6开设于所述压板1四角下方的路面上，所述弹簧7设置于弹簧安装槽6中；封装盒3内部空间横向分隔为三个隔间，中间的隔间放置电路板8，两侧隔间的侧板上设置有用于固定压电陶瓷片9的多对夹持装置10，每对夹持装置10夹住并横向固定有一个压电陶瓷片9，所述金属架2上端固定在压板1上、下端向下穿过土体压迫各压电陶瓷片9，各压电陶瓷片9与安装于中间的隔间的电路板8连接，所述压板1受压后可在路面安装槽4中沉降，进而向下推动所述压电陶瓷片9。本实施例中，路面上设置供弹簧7装入的弹簧安装槽6，可以使得压板1向下压至地面时，路面能够承受较大的车辆荷载，弹簧7承受的荷载较小并且不会完全压缩，这样弹簧7就不用担心会被车辆荷载破坏，只需要能够将压板1顶起恢复原样即可，弹簧安装槽6起到了保护弹簧7的作用。本结构期望的压电陶瓷片9变形是2mm，所以使用的弹簧7自由长度为6mm，刚度为16.18（N/mm），弹簧7的极限荷载为34.43N，弹簧安装槽6深度可以是4mm，这样弹簧压缩量是2mm，压缩产生的弹力足够使压板1恢复原状。弹簧安装槽6的深度和弹簧7类型可以根据需要进行相同原理的调整。
参照图1-6所示，上述封装盒3包括内盒31和外保护盒32，外保护盒32厚度为10mm、长度424mm，内盒31和外保护盒32之间的夹层中安装硅橡胶垫，橡胶垫厚度为10mm，并灌入防水胶，使得外保护盒32、橡胶垫和内盒31紧密贴在一起，封装盒3的外保护盒32采用MC尼龙材料制成。硅橡胶垫抗压性能为5MPa，耐温范围为-70°C-260°C。该硅橡胶材料具有抗氧化、抗腐蚀，同时具有防雨水、耐高温和耐磨等优良性能。防水胶采用纳米硅防水胶，具有优良的渗透结晶防水性能和高弹性涂膜防水性能，使用后能够形成高弹性的防水涂膜进行防水。上述内盒底部固定有多个用来放置干燥剂的小矩形盒11，小矩形盒11中设置有干燥剂。
参照图1所示，上述压板1呈矩形，压板1尺寸为400mm×500mm×45mm，所述金属架2采用直径为6mm的HPB300钢筋制成，所述金属架2通过焊接与所述压板1固定连接，金属架2向下延伸的长度为90mm，所述金属架2上横向设置有横杆12，横杆12长度为300mm。
参照图1-6所示，上述封装盒3尺寸为400mm×400mm×300mm，封装盒3埋置深度为450mm，封装盒3内设置有夹持装置10以固定所述金属架2和压电陶瓷9片，所述夹持装置10和封装盒3固定一体，使用M4螺钉13和螺栓14夹持压电陶瓷片9和金属架2。所述封装盒3的外保护盒32采用MC尼龙制成，制作过程是以碱性物质作催化剂，将熔融的原料己内酰胺单体和活化剂等一起制成待聚单体，然后注入模具内进行聚合反应，将其凝结成坚韧的固体胚件；再通过激光雕刻处理工艺，得到预定的制品；所述压电陶瓷片9采用含有锂锑的新型钙钛矿无铅压电陶瓷片9制成，尺寸为100mm×20mm×2mm，其d33、Kp和介电常数分别为285pC/N、50%和1370。MC尼龙材料具有重量轻、强度高、耐磨性好、绝缘等优良性能，用其制作出来的封装盒，其强度和耐久性能够满足道路车辆荷载碾压的要求，减弱内部压电结构与道路路面结构的差异性，可以隔绝道路路面环境与封装盒内部环境。
参照图1-3所示，本发明提供的一种上述可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷片转换装置的制作方法，包括以下步骤：
（1）首先将压电陶瓷片9采用夹持装置10夹持在封装盒3内，并安装好电路板8和干燥剂，之后在路面上用切割机切割出一个路面安装槽4，根据封装盒3的尺寸，路面安装槽4要比封装盒3周边略大2mm，然后取出沥青块后，用喷灯烘干路面安装槽4内由于切割时留下的水分，用水泥砂浆对路面安装槽4底部进行抹平，以保证封装盒3的底部与路面基层顶部接触充分平实，待水泥砂浆产生一定强度后，放入压电转换装置的封装盒内，期间对底部不平整处进行再处理。
上述步骤（1）中：无铅压电陶瓷片9是以K2CO3、Na2CO3、Sb2O3、Li2CO3和Nb2O5 为原料，首先使用ZrO2作为研磨介质，将粉末在容器中干燥混合后，再在900℃下煅烧4小时，以形成所需的钙钛矿相。将粉碎后的煅烧球团再次研磨12小时，然后添加聚乙烯醇，并在一定压力下压入直径为30mm、厚度为1.5mm的圆盘中，通过将圆盘加热至650°C来去除粘合剂，然后在1100°C下致密3.5小时，接着对圆盘进行抛光并在其表面电镀银浆，最后将其放入硅油中，在30kv/cm电场下以小电流提供高极化电压的方式进行极化。上述压电陶瓷片采用含有锂锑的新型钙钛矿无铅压电陶瓷片制成，尺寸为100mm×20mm×2mm，其d33、Kp和介电常数分别为285 pC/N、50%和1370。
（2）将所述金属架2与压板1焊接成一体，然后将金属架2安装进封装盒3内，保证金属架2的横杆12与压电陶瓷片9充分接触，之后盖上封装盒3盖子并用螺丝钉拧紧固定，然后用灌封胶对封装盒3周围缝隙进行灌缝，之后用水泥砂浆回填至路面高度；
上述步骤（2）中：所述封装盒3的外保护盒32采用MC尼龙制成，外保护盒的制作过程是以碱性物质作催化剂，将熔融的原料己内酰胺单体和活化剂等一起制成待聚单体，然后注入模具内进行聚合反应，将其凝结成坚韧的固体胚件；再通过激光雕刻处理工艺，得到预定的制品；
（3）水泥砂浆回填好后，在强度未形成前在矩形板的四个角下方制作四个弹簧安装槽6，然后用沥青将弹簧7固定在弹簧安装槽6内并给弹簧7安装保护套，结构至此安装完成。
参照图1-3所示，下面以具体实施例的方式对本发明所涉及的重要部件进行详细说明：
一、压电转换装置材料的制作要求
（1）压电陶瓷转换装置路面上的压板1采用和KFZ型铸钢减速带相同的制作方法和材料，加工出一个矩形的压板，压板尺寸为300mm×300mm×100mm，由于使用的减速带的原料和制作方法，具有减速带的承载力强、使用寿命长等特点。
（2）金属架2是用直径为6mm的HPB300钢筋制作而成的，HPB300钢筋屈服强度为300MPa，金属架2都带有与压电陶瓷片接触的两根横杆，并且通过焊接与压板结合。
（3）弹簧7采用自由长度为6mm，刚度为16.18（N/mm），弹簧7的极限荷载为34.43N。封装盒3的内盒31采用尼龙材料制得，内部空间分为三个隔间，并且外部还有一个同样由尼龙材料制得的外保护盒32，两个盒子之间的间隙用硅橡胶填满并用防水胶灌入。
（4）使用的压电陶瓷片9是含有锂锑的新型钙钛矿无铅压电陶瓷片9，它的d33、Kp和介电常数分别为285 pC/N、50%和1370，具有很好的介电和压电性能。
（5）这种压电陶瓷片9的制作方法：以K2CO3、Na2CO3、Sb2O3、Li2CO3和Nb2O5 为原料，首先使用ZrO2作为研磨介质，将粉末在容器中干燥混合后，再在900℃下煅烧4小时，以形成所需的钙钛矿相。将粉碎后的煅烧球团再次研磨12小时，然后添加聚乙烯醇，并在一定压力下压入直径为30mm、厚度为1.5mm的圆盘中，通过将圆盘加热至650°C来去除粘合剂，然后在1100°C下致密3.5小时。完成上述步骤后，对圆盘进行抛光并在其表面电镀银浆，然后将其放入硅油中，在30kv/cm电场下进行极化，为减少极化引起的晶界微裂纹，极化装置以小电流提供高极化电压。
Claims (10)
1.一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：包括压板、金属架和封装盒，压板安装于路面安装槽中，压板配置有弹性回复机构，封装盒内部空间横向分隔为三个隔间，中间的隔间放置电路板，两侧隔间的侧板上设置有用于固定压电陶瓷片的多对夹持装置，每对夹持装置夹住并横向固定有一个压电陶瓷片，所述金属架上端固定在压板上、下端向下穿过土体压迫各压电陶瓷片，各压电陶瓷片与安装于中间的隔间的电路板连接，所述压板受压可在路面安装槽中沉降，进而向下推动所述压电陶瓷片。
2.根据权利1所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述封装盒包括内盒和外保护盒，外保护盒厚度为10mm、长度424mm，内盒和外保护盒之间的夹层中安装硅橡胶垫，橡胶垫厚度为10mm，并灌入防水胶，使得外保护盒、橡胶垫和封装盒紧密贴在一起。
3.根据权利2所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述内盒底部固定有多个用来放置干燥剂的小矩形盒，小矩形盒中设置有干燥剂。
4.根据权利1或2或3所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述弹性回复机构包括弹簧安装槽和弹簧，弹簧安装槽开设于所述压板四角下方的路面上，所述弹簧设置于弹簧安装槽中。
5.根据权利2所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述封装盒的外保护盒采用MC尼龙材料制成。
6.根据权利1或2或3所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述压板呈矩形，压板尺寸为400mm×500mm×45mm，所述金属架采用直径为6mm的HPB300钢筋制成，所述金属架通过焊接与所述压板固定连接，金属架向下延伸的长度为90mm，所述金属架上横向设置有横杆，横杆长度为300mm。
7.根据权利1或2或3所述的可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置，其特征是：所述封装盒尺寸为400mm×400mm×300mm，封装盒埋置深度为450mm，封装盒内设置有夹持装置以固定所述金属架和压电陶瓷片，所述夹持装置和封装盒固定一体，使用M4螺钉和螺栓夹持压电陶瓷片和铁架。
8.一种权利要求1所述可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法，其特征是：包括以下步骤：
（1）首先将压电陶瓷片采用夹持装置夹持在封装盒内，并安装好电路板和干燥剂，之后在路面上用切割机切割出一个路面安装槽，根据封装盒的尺寸，路面安装槽要比封装盒周边略大2mm，然后取出沥青块后，用喷灯烘干路面安装槽内由于切割时留下的水分，用水泥砂浆对路面安装槽底部进行抹平，以保证封装盒的底部与路面基层顶部接触充分平实，待水泥砂浆产生一定强度后，放入压电转换装置的封装盒，期间对底部不平整处进行再处理；
（2）将所述金属架与压板焊接成一体，然后将金属架安装进封装盒内，保证金属架的横杆与压电陶瓷片充分接触，之后盖上封装盒盖子并用螺丝钉拧紧固定，然后用灌封胶对封装盒周围缝隙进行灌缝，之后用水泥砂浆回填至路面高度；
（3）水泥砂浆回填好后，在强度未形成前在矩形板的四个角下方制作四个弹簧安装槽，然后用沥青将弹簧固定在弹簧安装槽内并给弹簧安装保护套，结构至此安装完成。
9.根据权利要求8所述可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法，其特征是：所述封装盒的外保护盒采用MC尼龙制成，外保护盒的制作过程是以碱性物质作催化剂，将熔融的原料己内酰胺单体和活化剂等一起制成待聚单体，然后注入模具内进行聚合反应，将其凝结成坚韧的固体胚件；再通过激光雕刻处理工艺，得到预定的制品；所述压电陶瓷片采用含有锂锑的新型钙钛矿无铅压电陶瓷片制成，尺寸为100mm×20mm×2mm，其d33、Kp和介电常数分别为285 pC/N、50%和1370。
10.根据权利要求9所述可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置的制作方法，其特征是：所述压电陶瓷片是以K2CO3、Na2CO3、Sb2O3、Li2CO3和Nb2O5 为原料，首先使用ZrO2作为研磨介质，将粉末在容器中干燥混合后，再在900℃下煅烧4小时，以形成所需的钙钛矿相；将粉碎后的煅烧球团再次研磨12小时，然后添加聚乙烯醇，并在一定压力下压入直径为30mm、厚度为1.5mm的圆盘中，通过将圆盘加热至650°C来去除粘合剂，然后在1100°C下致密3.5小时，接着对圆盘进行抛光并在其表面电镀银浆，最后将其放入硅油中，在30kv/cm电场下以小电流提供高极化电压的方式进行极化。
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