一种路用压电俘能器件的制备方法和实验方法与流程

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一种路用压电俘能器件的制备方法和实验方法与流程
本发明涉及利用交通荷载发电的路用压电俘能器件的制备方法和实验方法。
背景技术
:随着经济社会的不断发展,中国正面临日益严重的能源短缺问题。传统能源日渐枯竭,而外部输入渠道又受制于人,一旦国际环境有变,必然会造成极其严重的后果。而其中,光是道路交通领域的能耗就非常惊人。据报道,城市道路照明耗电就占照明耗电总量的30%,年耗电量850亿千瓦时,如果按照0.65元/度计算,直接经济费用就可达552.5亿元。因此,新能源的开发和利用已成为当前的重要研究方向。压电材料因为其能够利用外界废弃能量发电,绿色环保,不受环境限制等优点,得到了广泛关注。当前,压电材料已被广泛应用于各个领域,尤其在机械、结构等领域更是有了长足的发展,但是在道路交通领域的研究在刚刚兴起。我国公路里程数已超过457.73万公里,每天需要承受数以亿计的重载作用,这些因素刚好可以为压电材料制成的俘能器件提供充足的铺设场所和必要的作用荷载,而得到的能量又可以就近为道路沿线附属设备供能。技术实现要素:本发明首先要解决的技术问题是提供一种路用压电俘能器件的制备方法,该制备方法针对路用压电俘能器件在荷载作用下的变形特点,设计了一种符合实际情况的俘能器件。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种路用压电俘能器件的制备方法,该方法首先在路用压电俘能器件的核心芯片上焊接导线,然后再以硅胶和高温橡胶对核心芯片进行封装,形成路用压电俘能器件。进一步地,路用压电俘能器件的核心芯片采用PZT-5H双晶片。进一步地,硅胶和高温橡胶的封装顺序是,先以硅胶封装在核心芯片的两面,再以高温橡胶封装在硅胶的外面,形成“高温橡胶-硅胶-核心芯片-硅胶-高温橡胶”的封装结构。进一步地,硅胶与核心芯片之间、高温橡胶与硅胶之间采用AB胶粘合。进一步地,导线在与核心芯片的焊接点上被弯折成N字形。本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种路用压电俘能器件的的实验方法,该实验方法能够为路用压电俘能器件的后续研究和应用提供借鉴。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种路用压电俘能器件的实验方法,该方法应用上述的制备方法所制得的路用压电俘能器件进行交通荷载发电的试验,并包括以下步骤:(1)建立配置有路用压电俘能器件的车辙板模型;(2)将车辙板模型放入车辙试验仪,并将路用压电俘能器件的导线介入示波器;(3)利用车辙试验仪的试轮对车辙板模型进行周期性荷载加载;(4)移动试轮或改变路用压电俘能器件的串并联方式进行多次试验。进一步地,建立车辙板模型的步骤具体包括:(1)准备车辙板模具;(2)配制沥青混合料;(3)在车辙板模腔内浇筑一定比例的沥青混合料并压实;(4)在已浇筑成形的沥青混合料上方的合适位置上放置路用压电俘能器件;(5)继续浇筑沥青混合料直至完成。进一步地,浇筑沥青混合料时,将导线从车辙板模具的缝隙中引出,同一压电俘能器件的导线从同一缝隙引出,不同压电俘能器件的导线从不同缝隙引出。本发明的有益效果是:本发明根据路用压电俘能器件在荷载作用下的变形机理,设计了一种可以用在路面结构内部的压电俘能器件,收集原本无法利用的路面变性能,转化为电能供给道路沿线的附属设备。本发明所制得的路用压电俘能器件可以有效降低道路运营器件的能耗,而且生成的能量绿色环保,不依赖外界环境。同时本发明还提供了该器件的实验方法,为工程推广应用具有非常重要的参考价值和指导意义。附图说明图1是核心芯片的导线连接布置图。图2是路用压电俘能器件的实物图。图3是图2的侧面视图。图4是压电俘能器件的侧面剖视图。图5是车辙板试件的示意图。图6是压电俘能器件在车辙板内的布置图。图7是压电俘能器件的实验示意图。具体实施方式实施例1,一种路用压电俘能器件的制备方法,参照附图1-4。选取尺寸为50mm×70mm×0.6mm的PZT-5H双晶片2为核心材料,其中每层压电陶瓷2尺寸为48mm×48mm×0.2mm,PZT-5H的参数参照表1选用。表1用0.7mm高温导线3并联双晶片2正反面,并将焊锡点4位置的导线3弯折成N字形,N字形的部分用胶带固定,以保证焊锡点4处的导线3在受拉时有充足的伸长空间,以防导线被拉断,在双晶片2两侧分别用AB胶粘贴上1mm厚的硅胶6,在硅胶6的外表面用AB胶粘贴上1mm~3mm厚的高温橡胶5,并进行按压测试,保证封装后的器件7能正常工作。因为车辙板8制备过程中温度较高(160℃),所以采用高温橡胶5保护内部的硅胶6和PZT-5H双晶片2,同时硅胶6和高温橡胶5也能扩散应力,保护双晶片2不在制备和加载过程中碎裂。焊锡点4位置的导线3弯折成N字型,用胶带固定,保证其在受拉时下有充分的伸展空间而不被拉断。实施例2,本实施例中PZT-5H双晶片2的参数参照表2选用,表2本实施例的其他实施方式与实施例1相同。实施例3,一种路用压电俘能器件的实验方法,参照附图1-7。本发明的实验方法是:按照《JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范》要求,骨料级配为细粒式AC-13,骨料级配如表3所示,沥青为70号重交沥青,油石比为5.3%。制作车辙板8时,先倒入大约4/5的沥青混合料,按照要求先在四个角上压实,然后在混合料上方垫一块29.5cm×29.5cm×2cm的楠木板,辅助成型机压实混合料。压实后,按照图6所示的位置和尺寸放置封装好的器件7,再次浇筑车辙板8,直至完成。浇筑时导线3从模具的缝隙中引出,同一能器件7的导线3从同一位置引出,不同器件的导线从不同位置引出,杜绝重合,尽量避免交叉,导线均连接至示波器11,车辙板8内部的导线3尽量不要叠合,以防压断或者橡胶5剥落后短路;各根导线做好标识,以防接错,最后形成一块完整的车辙板8。静置24小时后,采用车辙试验仪12进行加载,并采用示波器11记录输出信号。调节加载路线,施加重量,外接负载大小和器件7之间的连接方式,研究器件7在上述因素作用下的电学输出情况。加载时,当车辙试验仪12的试轮10距离器件7较远时,其荷载作用范围没有到达器件7,此时没有电压输出;当试轮10快要到达器件7正上方时,荷载作用开始影响到器件7,此时有电压输出;随着试轮10到达器件7正上方,器件7受到应力最大,此时输出的电压最大;随着试轮10开始远离器件7,输出电压迅速减小,到达负值;当荷载作用范围离开器件7后,电压开始向零衰减。随着试轮10周期性加载,输出电压也呈现周期性特点。移动车辙板8的位置,可以使加载路线偏离器件正上方,输出电压的幅值逐渐减小,最终区域零。调节加载重量,输出电压也随之成正相关变化。调节外接负载,输出电压随负载增大而逐渐增大,并趋于稳定;当外接负载与器件7内部阻抗相等时,输出功率达到最大。调节器件7的串并联方式,并联数目越多,输出电流越大;串联数目越多,输出电压越大;最大输出功率则依赖于器件7几何尺寸、材料参数、外接负载等因素。表3筛孔孔径(mm)1613.29.54.752.361.18筛孔通过率的范围(%)10090-10068-8538-6824-5015-38具体筛孔通过率(%)1009575553726该粒径所占比例(%)0520201811筛孔孔径(mm)0.60.30.150.075<0.075筛孔通过率的范围(%)10-287-205-154-80具体筛孔通过率(%)1913840该粒径所占比例(%)76544当前第1页1 2 3 
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