一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器及制作方法与流程

本发明属于道路工程领域，涉及于道路压电发电，具体涉及一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器及制作方法。

背景技术：

我国道路网日渐发达，道路承担越来越多的车辆荷载。车辆荷载的不断冲击和震动将会产生源源不断的机械能。若这种机械能得到有效收集并转换成电能，将会作为除太阳能、风能、核能外又一清洁能源。现阶段，我国积极开拓新型智能压电发电路面的清洁产能模式，对践行绿色交通，推进绿色公路建设，完成《交通运输节能环保“十三五”发展规划》目标有重大现实意义。

目前，堆叠式压电换能器具有力-电转换效率高、道路耦合性及耐久性好等特点，更适合荷载大、频率低、工作环境复杂的道路领域的能量收集。常用的堆叠式压电换能器制作工艺有独石共烧法与电极粘结法两种。根据已有资料，由于独石共烧法烧结温度低于电极粘结法单片的最佳烧结温度，故而其换能及机械性能等各项参数略低于最佳参数，从而影响压电陶瓷的换能效率及结构性能；同时独石共烧法制得的堆叠式压电换能器虽整体性好，但脆性大，一经丝毫受损整体破坏，而电极粘结法的堆叠式压电换能器整体性与抗破坏性能更好，故而电极粘结法宜作为路用压电换能器的生产工艺。

然而，电极粘结法在人工涂刷电极时，由于陶瓷片外缘有棱角，在棱角处会存在电极层与陶瓷片贴合性差、漏瓷等问题，并且难以保证电极层两面涂刷的对称性及均匀性；此外，堆叠时还会出现压电陶瓷片横向滑移等问题。因此，亟需一种优化方案使得压电换能器可以批量化生产并发挥最大功效来满足道路能量收集领域的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器及制作方法，解决现有的压电换能器耐久性差、寿命短的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

步骤一、制作圆形陶瓷基片：

采用常规方法制作圆形陶瓷基片；

步骤二、制作圆角陶瓷基片：

将步骤一制得的圆形陶瓷基片用夹具固定，从圆形陶瓷基片对称的两端向圆心处打磨，形成一对对称的电极粘结端面；用倒角工具对一个电极粘结端面的一个边棱进行倒圆角处理，用倒角工具对另一个电极粘结端面的另一个边棱进行倒圆角处理，形成圆形倒角，两个圆形倒角分别与圆形陶瓷基片的两个不同表面相连，制得圆角陶瓷基片；

步骤三，制作圆角压电陶瓷单片：

每个步骤二制得的圆角陶瓷基片的两个表面上还分别设置有隔断区，隔断区与圆形倒角在圆角陶瓷基片的两个表面上相对设置，隔断区的端部贯通电极粘结端面；每个圆角陶瓷基片的两个表面上除隔断区以外的位置为导电区；

采用丝网印刷机在隔断区印刷绝缘环氧树脂胶，采用丝网印刷机在导电区印刷导电银胶，采用手工笔在电极粘结端面涂刷导电银胶；

在150℃条件下烘干15分钟，然后对圆角陶瓷基片进行极化，使得每个圆角陶瓷基片的一个表面的导电区形成正极面，另一个表面的导电区形成负极面，制得圆角压电陶瓷单片；

步骤四，制作堆叠式压电陶瓷：

将步骤三制得的多个圆角压电陶瓷单片以物理串联和电学并联的方式叠放，并用紧箍装置固定夹持，竖向静压后升温到120℃并固化4～5小时，制得堆叠式压电陶瓷；

所述的物理串联和电学并联的方式具体为：

将多个圆角压电陶瓷单片叠放实现物理串联；

相邻圆角压电陶瓷单片的正极面之间通过导电银胶相接触导通，使得多个圆角压电陶瓷单片的正极面并联导通；相邻圆角压电陶瓷单片的负极面之间通过导电银胶相接触导通，使得多个圆角压电陶瓷单片的负极面也并联导通；相邻圆角压电陶瓷单片的一对圆形倒角相邻设置，相邻圆角压电陶瓷单片的一对隔断区通过绝缘环氧树脂胶相接触绝缘，使得多个圆角压电陶瓷单片并联导通的正极面和负极面相互隔绝，实现电学并联；

步骤五，制作堆叠式压电换能器：

将步骤四制得的堆叠式压电陶瓷的两端分别由多个电极粘结端面各自形成一个电极粘结面，即正极粘结面和负极粘结面，正极粘结面上粘结有正极金属片，负极粘结面上粘结有负极金属片，正极金属片和负极金属片分别通过焊点与导线相连；

在堆叠式压电陶瓷的顶面粘结顶面绝缘瓷片，在堆叠式压电陶瓷的底面粘结底面绝缘瓷片，制得堆叠式压电换能器。

本发明还具有如下区别技术特征：

步骤一中，作为一种优选，所述的制作圆形陶瓷基片的常规方法为：将陶瓷粉体煅烧并球磨后与溶剂、分散剂和除泡剂混合，湿法球磨后再加入粘结剂、增塑剂和润滑剂，然后二次混磨12h形成浆体，采用流延机成型切割，排胶烧结后制得圆形陶瓷基片。

步骤二中，所述的电极粘结端面到圆形陶瓷基片的圆心的距离比圆形陶瓷基片的半径小0.3mm；所述的圆形陶瓷基片的直径为30mm；

步骤二中，所述的倒圆角处理时的倒角半径为圆形陶瓷基片厚度的0.3～0.6倍，优选0.5倍。

步骤二中，所述的夹具采用上下夹持的方式对圆形陶瓷基片进行夹持固定。

步骤四中，所述的紧箍装置包括一对与堆叠式压电陶瓷相配套的紧箍半壳，一对紧固半壳的两条侧棱通过合页相连，一对紧固半壳的另两条侧棱上设置有一对能够扣合的卡扣；所述的一对紧固半壳的底部配套有底座。

步骤四中，所述的竖向静压的压力为20kpa，所述的升温的速率为3℃/min。

步骤五中，所述的焊点通过环氧树脂密封。

一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器，所述的堆叠式压电换能器采用如上所述的制作方法制得。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(ⅰ)本发明从制作工艺上对压电陶瓷片的结构、形状进行优化，保证两侧电极涂刷的对称性及均匀性，圆角工艺可使得电极层与陶瓷片具有良好的贴合性避免漏瓷现象，达到耐久性好、使用寿命长的目的；同时，两侧金属板的设置可增加结构整体性及强度。

(ⅱ)本发明的压电换能器的制作工艺简单，成本低廉，性价比高，可满足不同路面条件使用。

(ⅲ)本发明制得的堆叠式压电换能器结构简单，制作工艺便捷且耐久性好、使用寿命长，实用性强，可收集更多的电能，达到广泛用于高速公路、城市道路和特殊地区道路以及旧路改造。适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器具有力-电转换效率高、刚度大、结构规整等优点。

附图说明

图1是堆叠式压电换能器的整体结构示意图。

图2是堆叠式压电换能器的分解结构示意图。

图3是堆叠式压电陶瓷的结构示意图。

图4是圆角压电陶瓷单片的的正极面的结构示意图。

图5是圆角压电陶瓷单片的的负极面的结构示意图。

图6是对圆形陶瓷基片进行倒圆角处理的状态示意图。

图7是经过倒圆角处理后得到的圆角陶瓷基片的结构示意图。

图8是紧箍装置的结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-圆形陶瓷基片，2-夹具，3-电极粘结端面，4-电极粘结端面，5-圆形倒角，6-圆角陶瓷基片，7-隔断区，8-导电区，9-绝缘环氧树脂胶，10-导电银胶，11-正极面，12-负极面，13-圆角压电陶瓷单片，14-堆叠式压电陶瓷，15-正极粘结面，16-负极粘结面，17-正极金属片，18-负极金属片，19-焊点，20-紧箍装置，21-倒角工具，22-导线，23-顶面绝缘瓷片，24-底面绝缘瓷片；

(20-1)-紧箍半壳，(20-2)-紧箍半壳，(20-3)-合页，(20-4)-卡扣，(20-5)-底座；

a和b分别表示一个电极粘结端面。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

遵从上述技术方案，如图1至图8所示，本实施例给出一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

步骤一、制作圆形陶瓷基片：

采用常规方法制作圆形陶瓷基片1。

本实施例中，作为一种优选，制作圆形陶瓷基片的常规方法为：将陶瓷粉体煅烧并球磨后与溶剂、分散剂和除泡剂混合，湿法球磨后再加入粘结剂、增塑剂和润滑剂，然后二次混磨12h形成浆体，采用流延机成型切割，排胶烧结后制得圆形陶瓷基片。

步骤二、制作圆角陶瓷基片：

将步骤一制得的圆形陶瓷基片1用夹具2固定，从圆形陶瓷基片1对称的两端向圆心处打磨，形成一对对称的电极粘结端面3、4；用倒角工具21对一个电极粘结端面3的一个边棱进行倒圆角处理，用倒角工具21对另一个电极粘结端面4的另一个边棱进行倒圆角处理，形成圆形倒角5，两个圆形倒角5分别与圆形陶瓷基片1的两个不同表面相连，制得圆角陶瓷基片6；

本实施例中，电极粘结端面3、4到圆形陶瓷基片1的圆心的距离比圆形陶瓷基片1的半径小0.3mm。圆形陶瓷基片1的直径为30mm；

本实施例中，倒圆角处理时的倒角半径为圆形陶瓷基片1厚度的0.3～0.6倍，本实施例中的一个优选结果为0.5倍。

本实施例中，夹具2采用上下夹持的方式对圆形陶瓷基片1进行夹持固定。

步骤三，制作圆角压电陶瓷单片：

每个步骤二制得的圆角陶瓷基片6的两个表面上还分别设置有隔断区7，隔断区7与圆形倒角5在圆角陶瓷基片6的两个表面上相对设置，隔断区7的端部贯通电极粘结端面3、4；每个圆角陶瓷基片6的两个表面上除隔断区7以外的位置为导电区8；

采用丝网印刷机在隔断区7印刷绝缘环氧树脂胶9，采用丝网印刷机在导电区8印刷导电银胶10，采用手工笔在电极粘结端面3、4涂刷导电银胶10；

在150℃条件下烘干15分钟，然后对圆角陶瓷基片6进行极化，使得每个圆角陶瓷基片6的一个表面的导电区8形成正极面11，另一个表面的导电区8形成负极面12，制得圆角压电陶瓷单片13；

步骤四，制作堆叠式压电陶瓷：

将步骤三制得的多个圆角压电陶瓷单片13以物理串联和电学并联的方式叠放，并用紧箍装置20固定夹持，竖向静压后升温到120℃并固化4～5小时，制得堆叠式压电陶瓷14；

竖向静压的压力为20kpa，所述的升温的速率为3℃/min。

所述的物理串联和电学并联的方式具体为：

将多个圆角压电陶瓷单片13叠放实现物理串联。

相邻圆角压电陶瓷单片13的正极面11之间通过导电银胶10相接触导通，使得多个圆角压电陶瓷单片13的正极面并联导通；相邻圆角压电陶瓷单片13的负极面12之间通过导电银胶10相接触导通，使得多个圆角压电陶瓷单片13的负极面12也并联导通；相邻圆角压电陶瓷单片13的一对圆形倒角5相邻设置，相邻圆角压电陶瓷单片13的一对隔断区7通过绝缘环氧树脂胶相接触绝缘，使得多个圆角压电陶瓷单片13并联导通的正极面11和负极面12相互隔绝，实现电学并联。

本实施例中的紧箍装置20包括一对与堆叠式压电陶瓷14相配套的紧箍半壳20-1、20-2，一对紧固半壳20-1、20-2的两条侧棱通过合页20-3相连，一对紧固半壳20-1、20-2的另两条侧棱上设置有一对能够扣合的卡扣20-4；所述的一对紧固半壳20-1、20-2的底部配套有底座20-5。

步骤五，制作堆叠式压电换能器：

将步骤四制得的堆叠式压电陶瓷14的两端分别由多个电极粘结端面3各自形成一个电极粘结面，即正极粘结面15和负极粘结面16，正极粘结面15上粘结有正极金属片17，负极粘结面16上粘结有负极金属片18，正极金属片17和负极金属片18分别通过焊点19与导线22相连；

在堆叠式压电陶瓷14的顶面粘结顶面绝缘瓷片23，在堆叠式压电陶瓷14的底面粘结底面绝缘瓷片24，制得堆叠式压电换能器。

本实施例中的焊点19通过绝缘环氧树脂胶9密封。

实施例2：

本实施例给出一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器，如图1至图5所述，该堆叠式压电换能器采用实施例1的制作方法制得。