专利名称：一种压电陶瓷-沥青复合压电材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合压电材料及其制备方法。
背景技术：
目前，我国能源消费水平逐年增长，尽管能源结构不断优化，但能耗整体水平仍然偏高，能源结构有待进一步改善。与此同时，我国能源资源有限，能源对外依赖度较高，能源瓶颈制约愈加突出。目前我国的能源主要来自于石油、煤炭等不可再生资源。潜在可用的新型能源包括太阳能、风能和地热等。丰富的太阳能是取之不尽、无污染、可无限利用的资源。但是目前一次性投资成本太高，成本回收期太长，据估计其回收期为2(Γ30年，另外技术复杂，占地面积大、光电转化率低等。对于风能，其电转化率较高， 风能资源量大，但是优质的风资源并不多，陆地上的风能在距地面一定的高度才有较优质的风资源，最重要的是不稳定、连续性差和时空分布不均，往往出现发电多的地方用电量较小和春、冬天发电多而用电少的特点。还有地热、虽然其具有稳定性和连续性的特点，但是可利用性差、维修成本高等特点，限制其进一步的应用。相对于这些方式，它同样是清洁能源，并且具有长寿命、低维修成本的特点；其次，对于我国汽车保有量和公路建设发展迅猛。我国已成为汽车大国，仅次于美国，2010年的汽车销量预计约1700万辆，销量增长速度惊人；同时公路建设迅速发展，到2020年公路网总里程将达到300万公里。此外，随着城市规模及城市交通的快速发展，各种交通工具所产生的振动强度越来越大，范围越来越广，具有可广泛利用的振动能源。其产生的电能可以用于交通设施基础的供电，以及为局部的居民供电，更重要的是在突发的天灾面前，人们缺水缺电的状况可以改变，可以尽早的恢复通讯、供水等。当车辆行驶经过路面时，通过压电陶瓷路面材料将动能转变为可利用的电能。其除了在公路上使用，同样也用于铁路、机场和车流量大的停车场，甚至人流量大的广场上。压电材料掺入路面材料中，制作成压电型路面材料，在满足交通功能的基础上进行发电，并可以收集到可观的电量，用于路面附属设施用电和电车的充电。利用路面的振动和变形可以实现高效、清洁能源的生产，还可以减小路面的振动和变形，延长路面的使用功能和寿命。此外，压电式振动发电是一种绿色环保技术，能够满足环境自适应供电的要求，具有长寿命、免维护等优点，应用前景广阔。但是现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，易导致路面的开裂和损坏。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，而提供一种压电陶瓷-浙青复合压电材料及其制备方法。一种压电陶瓷-浙青复合压电材料按重量份数由2(Γ60份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(Γιο份浙青改性剂制备而成。一种压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料首先按重量份数称取2(Γ60份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(TlO份浙青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理在搅拌速度为60rpnT80rpm下将步骤一准备的312飞24份压电陶瓷粉搅拌2mirT5min，然后从室温加热至ll(Tl60°C，即得到预处理后压电陶瓷粉；三、混料首先将步骤一称取的20飞0份浙青从室温加热至11(T160°C，然后加入步骤一称取的(TlO份浙青改性，并在温度为11(T160°C和搅拌速度为120rpnTl80rpm加热搅拌2min"5min,再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉,先在搅拌速度为60rpnT80rpm下搅拌2min 5min,然后在搅拌速度为100rpnTl40rpm搅拌2min 5min,即得到混合物料；四、成型首先将步骤三得到的混合物料注入模具中，然后在温度为30°C 120°C下采用振动压实成型法或压实成型法进行成型处理，成型处理后先冷却至室温，再拆除模具，即得到成型材料，然后对成型材料表面进行抛光处理，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。本发明优点一、本发明突破现有基体物质的类型的限制，制备出一种用于路面机械能收集的复合压电材料，本发明提出的利用压电陶瓷浙青复合压电材料将路面废弃的能量转化成电能；二、通过压电陶瓷路面材料将机械能转变为可利用的电能是一种新型能源， 为解决道路的附属设施，尤其是边远地区和长途道路信号标识和信号灯等用电设施的供电，对已建道路工程进行改造和新建道路直接铺装可为路政设施提供新型的清洁能源，并具有显著的经济效益和社会价值，但是现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，易导致路面的开裂和损坏，而本发明制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料具有和浙青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服了原有压电材料的缺点。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式是一种压电陶瓷-浙青复合压电材料按重量份数由2(Γ60份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(TlO份浙青改性剂制备而成。本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料采用浙青作为基体相，压电陶瓷粉作为陶瓷相，利用浙青改性剂进行调节，以0-3型连接得到。本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料突破现有基体物质的类型的限制，利用本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料可知制备出用于路面机械能收集的复合压电材料。通过压电陶瓷路面材料将机械能转变为可利用的电能是一种新型能源，为解决道路的附属设施，尤其是边远地区和长途道路信号标识和信号灯等用电设施的供电，对已建道路工程进行改造和新建道路直接铺装可为路政设施提供新型的清洁能源，并具有显著的经济效益和社会价值，但是现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏，而本发明制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料具有和浙青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服了原有压电材料的缺点。本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料的使用方法在本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料表面采用丝网印刷工艺涂覆电极，或者在本实施方式所述的压电陶瓷-浙青复合压电材料上、下底面各放置一块金属片，得到待极化材料，然后放入4(T90°C娃油中，并在电场强度为2kV/mnT5kV/mm下极化5min 25min,即得到用于路面机械能收集的复合压电材料；得到的用于路面机械能收集的复合压电材料作为面层铺在路面上，利用用于路面机械能收集的复合压电材料将机械能转化电能，并采用整流电路收集电倉泛。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一的不同点是所述的浙青为石油浙青、煤浙青和天然浙青中的一种或者几种的混合物，且浙青的针入度为40 140,所述针入度的单位为l/10mm。其他与具体实施方式
一相同。本实施方式所述的浙青为混合物时，各组分之间按任意比混合。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二之一不同点是所述的压电陶瓷粉为BaTiO3铁电体陶瓷、PZT压电陶瓷和PMN压电陶瓷中的一种或者几种的混合物，且压电陶瓷粉的压电应变常数d33 > 150pC/N。其他与具体实施方式
一或二相同。本实施方式所述的压电陶瓷粉为混合物时，各组分之间按任意比混合。本实施方式所述的压电陶瓷粉的粒径小于70 μ m，且所述的压电陶瓷粉粒径小于 2μπ 的压电陶瓷粉与粒径为2μπΓ70μπ 的压电陶瓷粉的体积比为(0飞)I。(当比值为O:1时就，也就是说所述的压电陶瓷粉的粒径为2 μ πΓ70 μ m，没有粒径小于2 μ m，这种方案可以实施，对么？)具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同点是所述的浙青改性剂为SBS、EVA或PE。其他与具体实施方式
一至三相同。本实施方式所述的SBS为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。本实施方式所述的EVA为乙烯-醋酸乙烯共聚物。本实施方式所述的PE为聚乙烯。
具体实施方式
五本实施方式是一种压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料首先按重量份数称取20飞0份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(TlO份浙青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理在搅拌速度为60rpnT80rpm下将步骤一准备的312 624份压电陶瓷粉搅拌2mirT5min，然后从室温加热至ll(Tl60°C，即得到预处理后压电陶瓷粉；三、混料首先将步骤一称取的20飞0份浙青从室温加热至11(T160°C，然后加入步骤一称取的(TlO份浙青改性，并在温度为11(T16(TC和搅拌速度为120rpnTl80rpm加热搅拌2min"5min,再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉,先在搅拌速度为60rpnT80rpm下搅拌2mirT5min,然后在搅拌速度为100rpnTl40rpm搅拌2mirT5min，即得到混合物料；四、成型首先将步骤三得到的混合物料注入模具中，然后在温度为30°C 120°C下采用振动压实成型法或压实成型法进行成型处理，成型处理后先冷却至室温，再拆除模具，即得到成型材料，然后对成型材料表面进行抛光处理，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。本实施方式步骤一中所述的压电陶瓷粉的粒径小于70 μ m，且所述的压电陶瓷粉粒径小于2 μ m的压电陶瓷粉与粒径为3 μ πΓ70 μ m的压电陶瓷粉的体积比为((Γ5) :1。本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料采用浙青作为基体相，压电陶瓷粉作为陶瓷相，利用浙青改性进行调节，以0-3型连接得到；本实施方式步骤三中采用抛光处理去除成型材料表面的浙青，露出成型材料的陶瓷相，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料突破现有基体物质的类型的限制，利用本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料可知制备出用于路面机械能收集的复合压电材料。
通过压电陶瓷路面材料将动能转变为可利用的电能是一种新型能源，为解决道路的附属设施，尤其是边远地区和长途道路信号标识和信号灯等用电设施的供电，对已建道路工程进行改造和新建道路直接铺装可为路政设施提供新型的清洁能源，并具有显著的经济效益和社会价值，但是现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏，而本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料有和浙青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服了原有压电材料的缺点。本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料的使用方法在本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料表面采用丝网印刷工艺涂覆电极，或者在本实施方式制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料上、下底面各放置一块金属片，得到待极化材料，然后放入4(T90°C娃油中，并在电场强度为2kV/mnT5kV/mm下极化5min 25min,即得到用于路面机械能收集的复合压电材料；得到的用于路面机械能收集的复合压电材料作为面层铺在路面上，利用用于路面机械能收集的复合压电材料将机械能转化电能，并采用 整流电路收集电倉泛。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
五的不同点是步骤一中所述的浙青为石油浙青、煤浙青和天然浙青中的一种或者几种的混合物，且浙青的针入度为4(Γ140，所述针入度的单位为l/10mm。其他与具体实施方式
五相同。本实施方式所述的浙青为混合物时，各组分之间按任意比混合。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
五或六之一不同点是步骤一中所述的压电陶瓷粉为BaTiO3铁电体陶瓷、PZT压电陶瓷和PMN压电陶瓷中的一种或者几种的混合物，且压电陶瓷粉的压电应变常数d33> 150pC/N。其他与具体实施方式
五或六相同。本实施方式所述的压电陶瓷粉为混合物时，各组分之间按任意比混合。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
五至七之一不同点是步骤一中所述的浙青改性剂为SBS、EVA或PE。其他与具体实施方式
五至七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
五至八之一不同点是步骤四中所述的振动压实成型法具体操作步骤如下在振动频率为20Hz 50Hz、振动力为3000旷5000N和压强为O. 5MPa^5MPa下振动压实lmirT5min。其他与具体实施方式
五至八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
五至八之一不同点是步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下在压强为2MPa 20MPa下压实lmirTlOmin。其他与具体实施方式
五至八相同。采用下述试验验证本发明效果试验一一种压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料首先按重量份数称取24. 5份浙青、585份压电陶瓷粉和O. 5份浙青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理在搅拌速度为70rpm下将步骤一准备的585份压电陶瓷粉搅拌4min，然后从室温加热至140°C，即得到预处理后压电陶瓷粉；三、混料首先将步骤一称取的24. 5份浙青从室温加热至140°C，然后加入步骤一称取的O. 5份浙青改性剂，并在温度为140°C和搅拌速度为150rpm加热搅拌3min，再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉，先在搅拌速度为70rpm下搅拌3min,然后在搅拌速度为120rpm搅拌3. 5min,即得到混合物料；四、成型首先将步骤三得到的混合物料注入模具中，然后在温度为110°C下采用振动压实成型法进行成型处理，成型处理后先冷却至室温，再拆除模具，即得到成型材料，然后对成型材料表面进行抛光处理，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。试验一步骤一中所述的585份压电陶瓷粉由粒径小于2 μ m的压电陶瓷粉与粒径为10 μ πΓ20 μ m的压电陶瓷粉按体积比3:2混合而成。试验一步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷，且压电陶瓷粉的压电应变常数 d33 > 150pC/N。试验一步骤一中所述的浙青为石油浙青，且浙青的针入度为6(Γ120，所述针入度的单位为l/10mm。 试验一步骤一中所述的浙青改性剂为SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)。试验一步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下压强为IOMPa下压实3min。采用浙青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验一制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料的弹性模量，可知试验一制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料的弹性模量为980MPa，而浙青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验一制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料具有和浙青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏。而本发明制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料具有和路面相匹配的弹性模量性能检测在试验一制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料表面采用丝网印刷工艺涂覆电极，得到待极化材料，然后放入50°C硅油中，并在电场强度为3. 5kV/mm下极化15min，得到用于路面机械能收集的复合压电材料；并对得到用于路面机械能收集的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能收集的复合压电材料的压电应变常数d33为52pC/N，用于路面机械能收集的复合压电材料的压电电压常数g33为1. 58V · m/N，用于路面机械能收集的复合压电材料的介电损耗Tan δ为4. 2 X 1(Γ2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数为32. 95。试验二 一种压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料首先按重量份数称取24. 5份浙青和585份压电陶瓷粉备用；二、压电陶瓷粉的预处理在搅拌速度为70rpm下将步骤一准备的585份压电陶瓷粉搅拌4min，然后从室温加热至140°C，即得到预处理后压电陶瓷粉；三、混料首先将步骤一称取的24. 5份浙青从室温加热至140°C，然后在温度为140°C和搅拌速度为150rpm加热搅拌3min，再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉，先在搅拌速度为70rpm下搅拌3min，然后在搅拌速度为120rpm搅拌3. 5min,即得到混合物料；四、成型首先将步骤三得到的混合物料注入模具中，然后在温度为110°C下采用振动压实成型法进行成型处理，成型处理后先冷却至室温，再拆除模具，即得到成型材料，然后对成型材料表面进行抛光处理，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。试验二步骤一中所述的585份压电陶瓷粉的粒径为10 μ πΓ20 μ m。试验二步骤一中所述的压电陶瓷粉为PZT压电陶瓷，且压电陶瓷粉的压电应变常数 d33 > 150pC/N。试验二步骤一中所述的浙青为石油浙青，且浙青的针入度为6(Γ120，所述针入度的单位为l/10mm。
试验二步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下压强为IOMPa下压实3min。性能检测在试验二制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料表面采用丝网印刷工艺涂覆电极，得到待极化材料，然后放入50°C硅油中，并在电场强度为3. 5kV/mm下极化15min，得到用于路面机械能收集的复合压电材料；并对得到用于路面机械能收集的复合压电材料进行检测，通过检测可知用于路面机械能收集的复合压电材料的压电应变常数d33为50. 2pC/N，用于路面机械能收集的复合压电材料的压电电压常数g33为1. 52V · m/N，用于路面机械能收集的复合压电材料的介电损耗Tan δ为4. 4 X 1(Γ2，用于路面机械能收集的复合压电材料的相对介电常数为32. 2。采用浙青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)检测试验二制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料的弹性模量，可知试验二制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料的弹性模量为700MPa,而浙青路面的弹性模量一般为lOOOMPa，因此试验二制备的压电陶瓷-浙青复合压电材料具有和浙青路面相匹配的弹性模量，可用其直接铺设路面，克服现有的压电材料和浙青路面的兼容性差的问题，导致路面的开裂和损坏。
权利要求
1.一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于压电陶瓷-浙青复合压电材料按重量份数由2(Γ60份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(TlO份浙青改性剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于所述的浙青为石油浙青、煤浙青和天然浙青中的一种或者几种的混合物，且浙青的针入度为4(Γ140，所述针入度的单位为l/10mm。
3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于所述的压电陶瓷粉为BaTiO3铁电体陶瓷、PZT压电陶瓷和PMN压电陶瓷中的一种或者几种的混合物，且压电陶瓷粉的压电应变常数d33 > 150pC/N。
4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于所述的浙青改性剂为SBS、EVA或PE。
5.如权利要求1所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法，其特征在于压电陶瓷-浙青复合压电材料的制备方法是按以下步骤完成的一、准备材料首先按重量份数称取20飞0份浙青、312飞24份压电陶瓷粉和(TlO份浙青改性剂备用；二、压电陶瓷粉的预处理在搅拌速度为eOrpnTSOrpm下将步骤一准备的312飞24份压电陶瓷粉搅拌2mirT5min，然后从室温加热至ll(Tl60°C，即得到预处理后压电陶瓷粉；三、混料首先将步骤一称取的20飞0份浙青从室温加热至11(T160°C，然后加入步骤一称取的(TlO份浙青改性，并在温度为11(T160°C和搅拌速度为120rpnTl80rpm加热搅拌2mirT5min，再加入步骤二得到预处理后压电陶瓷粉，先在搅拌速度为eOrpnTSOrpm下搅拌2mirT5min，然后在搅拌速度为100rpnTl40rpm搅拌2min 5min,即得到混合物料；四、成型首先将步骤三得到的混合物料注入模具中，然后在温度为30°C 120°C下采用振动压实成型法或压实成型法进行成型处理，成型处理后先冷却至室温，再拆除模具，即得到成型材料，然后对成型材料表面进行抛光处理，即得到压电陶瓷-浙青复合压电材料。
6.根据权利要求5所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于步骤一中所述的浙青为石油浙青、煤浙青和天然浙青中的一种或者几种的混合物，且浙青的针入度为4(Tl40,所述针入度的单位为l/10mm。
7.根据权利要求5所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于步骤一中所述的压电陶瓷粉为BaTiO3铁电体陶瓷、PZT压电陶瓷和PMN压电陶瓷中的一种或者几种的混合物，且压电陶瓷粉的压电应变常数d33 > 150pC/N。
8.根据权利要求5所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于步骤一中所述的浙青改性剂为SBS、EVA或PE。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于步骤四中所述的振动压实成型法具体操作步骤如下在振动频率为20Hz飞0Hz、振动力为3000N 5000N和压强为0. 5MPa 5MPa下振动压实lmirT5min。
10.根据权利要求5、6、7或8所述的一种压电陶瓷-浙青复合压电材料，其特征在于步骤四中所述的压实成型法具体操作步骤如下在压强为2MPa 20MPa下压实lmirTlOmin。
全文摘要
一种压电陶瓷-沥青复合压电材料及其制备方法，它涉及一种复合压电材料及其制备方法。本发明的目的是要解决现有的压电材料和沥青路面的兼容性差的问题。一种压电陶瓷-沥青复合压电材料由沥青、压电陶瓷粉和沥青改性剂制备而成。方法一、准备材料；二、压电陶瓷粉的预处理；三、混料；四、进行成型和抛光处理，即得到压电陶瓷-沥青复合压电材料。优点一、突破现有基体物质的类型的限制，制备出一种用于路面机械能收集的复合压电材料，实现利用压电陶瓷沥青复合压电材料将路面废弃的能量转化成电能；二、具有和路面相匹配的弹性模量，不会因压电材料的埋入而加速路面材料性能的劣化。本发明主要用于制备压电陶瓷-沥青复合压电材料。
文档编号C04B26/26GK103011695SQ20121058356
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者谭忆秋, 吕建福, 钟勇 申请人:哈尔滨工业大学