一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带的制作方法

本发明属于电子陶瓷材料应用领域，具体涉及一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带。

背景技术：

能源和环境是21世纪人类所关注的最重要的两大主题。随着经济的发展，煤、石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少，世界各国都在大力发展各种可再生能源，希望能够将环境中可以回收利用的能量进行收集和转换。一方面人们对能源的质量要求不断提高；另一方面人们的环保意识也日益增强，加之长期使用化石能源带来的一系列环境问题日益突出，对清洁、环保、可靠、廉价的新能源研究与利用已成为热点。

近年来利用压电材料进行能量收集的技术方法越来越受到人们关注。使用压电材料制作的压电发电装置具有环保、结构简单，成本低，易于实现等优点。但目前常见的压电材料往往含铅，制作过程未能满足环保需求。如锆钛酸铅(pzt)是目前市场上常用于传感器和转换器的压电材料，但其含有有毒元素铅对环境和人体有害，因此迫切需要开发无铅压电材料来替代含铅压电材料。另外，机械振动能普遍存在于我们的日常生活环境中，道路、桥梁、车辆、机床等各种生产或生活设备中都存在机械振动能量。如何将振动能通过压电效应转换为电能并加以利用，是近年来的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，以克服现有技术中的问题，本发明采用无铅压电陶瓷，制成压电振子，再通过整流电路将其产生的电荷转化成直流电压输出，从而达到将汽车通过减速带时的振动能转换成电能，以满足道路信号灯的日常供电需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，包括减速带本体，减速带本体的下侧设有若干蜂窝孔，减速带本体的下部连接有绝缘板，绝缘板上固定有若干压电振子，且压电振子置于蜂窝孔中，所述压电振子产生的电量通过整流电路转换输出。

进一步地，所述的压电振子为无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷的分子式为ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.8，x为摩尔分数。

进一步地，所述的压电振子的制备方法为：

步骤一：按照无铅压电陶瓷的分子式称取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，将各原料混合后进行球磨处理得到混合料；

步骤二：将混合料煅烧处理后研磨得到陶瓷粉末a；

步骤三：将陶瓷粉末a进行球磨处理，烘干然后研磨得到陶瓷粉末b；

步骤四：将陶瓷粉末b压成圆柱形，然后进行烧结得到陶瓷柱；

步骤五：将陶瓷柱的两个端面涂银，然后烧制得到压电振子前体；

步骤六：将压电振子前体在直流电场下进行极化处理，即得到压电振子。

进一步地，步骤一中采用无水乙醇作为溶剂进行球磨，球磨时间为3-4h，球磨机转速为45-55r/s。

进一步地，步骤二中煅烧温度为1350℃，时间为3h。

进一步地，步骤三中采用无水乙醇作为溶剂进行球磨，球磨时间为8-9h，球磨机转速为45-55r/s。

进一步地，步骤4中烧结温度为1450℃，时间为3-3.5h。

进一步地，步骤五中涂银厚度为10-20μm，烧制温度为800℃，时间为1h。

进一步地，步骤六中将压电振子前体在800v/mm直流电场下极化处理1小时。

进一步地，压电振子与蜂窝孔之间的间隙浇注有橡胶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将生活中常常被我们忽略的汽车通过减速带时的上下振动而释放的机械能，通过压电振子及配套整流电路收集并转换为电能，在道路路口等处实现路面能量的收集过程，是一种适用于道路环境的压电发电技术，为开发新型的绿色能源使用模式提供一个可行的技术方案，以此迎合对清洁能源的需求。

本发明的压电振子采用环境友好的无铅压电材料，对人体无毒性，采用本发明的制备方法，烧结时不需要使用挥发性的铅氛围，大大降低了材料制备过程中的污染与毒性。同时，采用本发明方法制备的压电振子具备比拟传统含铅压电陶瓷锆钛酸铅的压电性能，具有较高的压电转换效率。本发明创新地将压电振子与减速带结合，提供了一种新型的电能收集方法，提高能量利用率。

附图说明

图1为压电振子串并联示意图；

图2为减速带安装正视图；

图3为压电振子在绝缘板上的安装示意图；

图4为基于ltc3588-1整流采集电路原理图。

其中，1、减速带本体；2、压电振子；3、蜂窝孔；4、绝缘板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图2和图3，一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，包括减速带本体1，减速带本体1的下侧设有若干蜂窝孔3，减速带本体1的下部连接有绝缘板4，绝缘板4上固定有若干压电振子2，且压电振子2置于蜂窝孔3中，压电振子2与蜂窝孔3之间的间隙浇注有橡胶，所述压电振子2产生的电量通过整流电路转换输出。

压电振子2为无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷的分子式为ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.8，x为摩尔分数，制备方法为：

步骤一：按照无铅压电陶瓷的分子式称取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，精确度应至少达到十万分位量级，将各原料混合后加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机均匀混合3-4小时，球磨机转速设置为45-55r/s，得到混合料；

步骤二：将混合料烘干，加入坩埚中，在1350℃的温度下煅烧3小时，充分研磨至与原料相同大小的粉末状，得到陶瓷粉末a；

步骤三：将陶瓷粉末a加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机球磨8-9小时，球磨机转速设置为45-55r/s，然后研磨成粉状得到陶瓷粉末b；

步骤四：将陶瓷粉末b压成直径1mm的圆柱形，然后在1450℃空气氛围下烧结3-3.5小时得到陶瓷柱；

步骤五：将陶瓷柱的两个圆形表面涂银10-20μm，然后在800℃的温度下烧制1小时得到压电振子前体；

步骤六：将压电振子前体在800v/mm直流电场下进行极化处理1小时，即得到压电振子。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1

一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，包括减速带本体1，减速带本体1的下侧设有若干蜂窝孔3，减速带本体1的下部连接有绝缘板4，绝缘板4上固定有若干压电振子2，且压电振子2置于蜂窝孔3中，压电振子2与蜂窝孔3之间的间隙浇注有橡胶，所述压电振子2产生的电量通过整流电路转换输出。

压电振子2为无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷的分子式为ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2，x为摩尔分数，制备方法为：

步骤一：按照无铅压电陶瓷的分子式称取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，将各原料混合后加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机均匀混合3小时，球磨机转速设置为45r/s，得到混合料；

步骤二：将混合料烘干，加入坩埚中，在1350℃的温度下煅烧3小时，充分研磨至与原料相同大小的粉末状，得到陶瓷粉末a；

步骤三：将陶瓷粉末a加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机球磨8小时，球磨机转速设置为45r/s，烘干然后研磨成粉状得到陶瓷粉末b；

步骤四：将陶瓷粉末b压成直径1mm的圆柱形，然后在1450℃空气氛围下烧结3小时得到陶瓷柱；

步骤五：将陶瓷柱的两个圆形表面涂银10μm，然后在800℃的温度下烧制1小时得到压电振子前体；

步骤六：将压电振子前体在800v/mm直流电场下进行极化处理1小时，即得到压电振子。

实施例2

一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，包括减速带本体1，减速带本体1的下侧设有若干蜂窝孔3，减速带本体1的下部连接有绝缘板4，绝缘板4上固定有若干压电振子2，且压电振子2置于蜂窝孔3中，压电振子2与蜂窝孔3之间的间隙浇注有橡胶，所述压电振子2产生的电量通过整流电路转换输出。

压电振子2为无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷的分子式为ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.8，x为摩尔分数，制备方法为：

步骤一：按照无铅压电陶瓷的分子式称取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，将各原料混合后加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机均匀混合4小时，球磨机转速设置为55r/s，得到混合料；

步骤二：将混合料烘干，加入坩埚中，在1350℃的温度下煅烧3小时，充分研磨至与原料相同大小的粉末状，得到陶瓷粉末a；

步骤三：将陶瓷粉末a加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机球磨9小时，球磨机转速设置为55r/s，烘干然后研磨成粉状得到陶瓷粉末b；

步骤四：将陶瓷粉末b压成直径1mm的圆柱形，然后在1450℃空气氛围下烧结3.5小时得到陶瓷柱；

步骤五：将陶瓷柱的两个圆形表面涂银20μm，然后在800℃的温度下烧制1小时得到压电振子前体；

步骤六：将压电振子前体在800v/mm直流电场下进行极化处理1小时，即得到压电振子。

实施例3

一种基于无铅压电陶瓷的可发电减速带，包括减速带本体1，减速带本体1的下侧设有若干蜂窝孔3，减速带本体1的下部连接有绝缘板4，绝缘板4上固定有若干压电振子2，且压电振子2置于蜂窝孔3中，压电振子2与蜂窝孔3之间的间隙浇注有橡胶，所述压电振子2产生的电量通过整流电路转换输出。

压电振子2为无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷的分子式为ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.5，x为摩尔分数，制备方法为：

步骤一：按照无铅压电陶瓷的分子式称取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，将各原料混合后加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机均匀混合3.5小时，球磨机转速设置为50r/s，得到混合料；

步骤二：将混合料烘干，加入坩埚中，在1350℃的温度下煅烧3小时，充分研磨至与原料相同大小的粉末状，得到陶瓷粉末a；

步骤三：将陶瓷粉末a加入盛有无水乙醇的球磨罐中，经球磨机球磨8.5小时，球磨机转速设置为50r/s，烘干然后研磨成粉状得到陶瓷粉末b；

步骤四：将陶瓷粉末b压成直径1mm的圆柱形，然后在1450℃空气氛围下烧结3.5小时得到陶瓷柱；

步骤五：将陶瓷柱的两个圆形表面涂银15μm，然后在800℃的温度下烧制1小时得到压电振子前体；

步骤六：将压电振子前体在800v/mm直流电场下进行极化处理1小时，即得到压电振子。

采用实施例3制备的压电振子装入减速带中，各原料如表1所示：

表1各原料的质量配比

将实施例3制备的压电振子每三个串联成一组，再将五组压电振子并联，如附图1，将连接后的压电振子浇注并固定在一块硬质绝缘板中。将浇注后的压电振子和减速带的蜂窝孔结合起来，并在压电振子与蜂窝孔之间的间隙浇注橡胶，以将其固定于减速带中。由于橡胶的弹性优于减速带材质的弹性，可以增加蜂窝结构抗压性，其设计结构图如图2和图3所示。整流电路的设计是将减速带振动通过压电振子产生的电量收集，因其产生的电压并不恒定，故用整流电路将其转换为恒压输出。

将制作好的压电振子串的两端引线通过减速带内部引出，并作为输入端接入整流电路。整流电路可内置于信号灯的电路当中，作为其供电电路。整流电路的设计为输出端与p1接口相连，将压电板产生的电能输入芯片。芯片d0，d1管脚同时选择接高电位，控制输出。pgood管脚目的在于检验电压输出是否良好，此设计中选择不接该管脚。vin2管脚用于驱动芯片内部的降压nmos的栅极，选择连接4.7μf电容，此管脚不作用外部输出。cap管脚是为芯片内部降压pmos栅极驱动。vin是整流过的电压输入端，最大可达20v。输出端选择47μf大电容，通过转换接口p2可以输出直流电压。从p2输出端连接蓄电池作为电能储存装置，蓄电池可连接信号灯，进行供电。

通过估算分析，取双向四车道上各种汽车折合成小客车的年平均日交通量为40000辆计算，每个减速带安装166个压电振子可以对3个7w的信号灯供电24小时。

本发明利用压电材料发电，作为一种新型发电渠道，不仅有别于传统发电维护成本高，度电成本高且规模过大，不便于灵活建设调度的不足，而且由于发电本质仅仅是废旧能量的重回收，整个发电过程环保零排放。适用于不同类型家庭电器。基于无铅压电陶瓷设计，压电材料环保无污染且具有高效的压电性能，本产品原材料制作技术属于业内领先水平。整流电路部分，将发电片所发的电量，通过芯片，实现了整流、升压等等一系列过程，核心电路部件简单易用，能量输出效果好。全国各地的减速带的数量很大，在经过减速带的汽车能量耗损一直是以内能形式散失，这部分能量的收集将产生极大的经济效益。