本发明涉及压电材料
技术领域：
，特别是涉及一种用于压电发电路面的压电板及制备方法。
背景技术：
能源是科技发展的关键。历史上主要技术的发展都与新能源的利用或能源利用方法的改进有关。人类的一切活动都离不开能源，社会向前发展是以能源消费为前提的。自然界的能量总是遵守能量守恒定律，目前，工、农业所需的能量来源主要是石油、煤、天然气等。根据目前能源的消耗速度，在不久的将来，石油、煤、天然气等能源必将耗尽。因此，能源危机并非是虚幻。针对能源危机，应降低能源消耗速度，进行能量回收再利用，同时寻找并开发新能源。其中，最有前景的是寻找并开发新能源，近年来利用压电材料进行能量收集的研究越来越受到人们的关注，压电材料是一种节能型环保材料，绿色安全，不会产生有毒有害的残留物质，符合可持续发展的要求。压电发电是依靠外界振动使压电材料发生变形而发电，其可利用的振动源无处不在，其应用不受场地的限制，也不需要专设场地，其应用的伸缩性及活动性强。同时利用压电材料制作的压电发电装置结构简单，易于实现，成本低，可大型化批量生产。目前利用机械能转化为电能的发电方式已经很常见，近年来利用道路车辆正常行驶实现发电的路面研究也受到了重视，因此，压电板内部结构的发电原理与整体结构非常值得研究。现今已有利用电磁感应原理以及压电方式的发电地板问世，但是普遍存在的问题就是能量的转换效率很低。例如，中国科学院上海硅酸盐研究罗豪甦等人申请了具有金属帽形状的铙钹及弯月结构的发电地板的发明专利，然而金属帽形状的铙钹结构或弯月结构具有力学弹性形变量小，对较小外力的激励不是十分敏感的问题，从而制约发电地板的发电效率。因此，提高压电底板能量转换率极为关键。中国发明专利申请号201320808713.1公开了一种基于压电材料的发电地板，该发电地板是由顶顶板、底座、支座和若干个压电材料结构单元组成。压电材料结构单元由保护片、双夹持结构和压电片组成。顶板上的定位拴和支座上的定位孔相匹配。压电材料结构单元放在支座上，每一个压电材料结构单元和支座上面的凹槽尺寸都相匹配。若干个压电材料结构单元中间的压电片用导线连接。中国发明专利申请号201320480339.7公开了一种基于压电材料的发电地板，包括盖板、底座、压电片、电路板、密封垫和密封框，所述底座上设有若干压电片支撑单元和导电槽，电路板置于导电槽内，压电片以简支支撑方式固定在支撑单元上，盖板的底面间隔设置有传力体，密封垫上设有与传力体相适配的沉孔，在沉孔对应处密封垫的底面设有凸起，凸起与压电片接触，密封垫与底座固定连接，压电片与电路板通过导线连接，底座四周通过密封框与盖板连接。但在用于路面压电发电时，对呀点半的强度、耐磨性要求较高，因而开发一种适合于路面压电发电的压电板尤为重要。技术实现要素：针对目前路面压电发电强度差、耐久性差、发电效果不佳的缺陷，本发明提出一种用于压电发电路面的压电板及制备方法。为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于压电发电路面的压电板，依次由预浸料和预混胶料相互叠加组成；其中，所述预浸料的厚度为0.4-0.6mm，所述预混胶料涂刷并热压于预浸料层表面，厚度为0.1-0.2mm；优选的，所述预浸料为表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料，尺寸为700-1000×90-120mm。优选的，所述预混胶料由极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮按照质量比例为1:2-3:2-4均匀混合。优选的，所述压电陶瓷粉末为铁电陶瓷、反铁电陶瓷、钛酸钡陶瓷、钛酸铅陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、铌酸盐系陶瓷中的一种或两种以上的组合。本发明还提供了一种用于压电发电路面的压电板的制备方法，具体制备方法如下：（1）将环氧树脂加热熔融后，与丙酮混合配制成胶液，放入胶膜机的胶槽中，然后加入碳纤维浸渍，压辊，得到碳纤维预浸料；（2）将烷基化处理的石墨烯加入到有机溶剂中，超声振荡均匀，得到液态混合物，然后放入行星式球磨机中，充分混合，得到均匀的悬浮液；（3）将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接高压电场的正极，将裁剪的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面，得到表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料；（4）将经极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮混合，超声分散均匀，得到预混胶料；（5）将表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，涂刷预混胶料，然后放入热压机，升温加压处理，冷却，即得用于压电发电路面的压电板。优选的，步骤（1）中所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维、沥青碳纤维、人造丝碳纤维中的一种或两种以上的组合，直径为6~8μm；所述环氧树脂、丙酮、碳纤维的质量比例为1：1-2:0.5-1。优选的，步骤（2）中所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺；所述烷基化处理的石墨烯、有机溶剂的质量比例为1:2-3。优选的，步骤（3）中所述静电喷射的电压为2000-2500v。优选的，步骤（4）中所述超声分散的超声波频率为30-50khz，超声分散30-40min。优选的，步骤（5）中所述升温加压处理的温度为130-150℃，压力为2-2.5mpa，保压时间60-80s。现有压电发电板用于路面道路发电存在强度差、耐磨性差、发电效果不佳等问题。鉴于此，本发明提出一种用于压电发电路面的压电板及制备方法，先将环氧树脂溶液等制成碳纤维预浸料；然后将进行烷基化处理的石墨烯加入到n,n-二甲基甲酰胺有机溶剂中，超声振荡均匀后，将液态混合物放入行星式球磨机中，得到均匀的悬浮液，将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接高压电场的正极，将裁剪成一定尺寸的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面；得到表面喷涂了烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料。再将经极化的压电陶瓷粉末与环氧树脂溶液混合，超声后得预混胶料；将表面喷涂了烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，再涂刷预混胶料，放入热压机加压处理，即得本发明用于压电发电路面的压电板。本发明提供的压电板通过将石墨烯均匀的分散在碳纤维预浸料表面，并且与压电陶瓷粉末和碳纤维构成连通网络，不但强度高、耐久性好，而且导电性能好，能量转换效率高，发电效果好，并且石墨烯的含量可控，不影响复合材料加工工艺，操作简便，易于在实际生产中推广应用。本发明致在较佳的将压电陶瓷复合为压电板，以适应于道路压电发电使用。而在具体使用时，还需要根据具体的需要配置各辅助装置，给浮渣组哈㾼时，还需要本发明提出一种用于压电发电路面的压电板及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本发明通过静电喷涂的方法将石墨烯均匀的分散在碳纤维预浸料表面，结合牢固、分散均匀，显著提高了强度、和耐久性以及材料的导电性能。2、本发明通过将加入的压电陶瓷粉末、石墨烯和碳纤维三者之间构成连通网络，可以及时的将压电陶瓷颗粒在机械振动中产生的电能用于发电中，有效提高了能量转换效率。3、本发明添加的石墨烯在复合材料中的含量可控，不影响复合材料加工工艺，操作简便，易于在实际生产中推广应用。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。实施例1压电板依次由预浸料和预混胶料相互叠加组成；其中，预浸料的的厚度为0.7mm，预混胶料涂刷并热压于预浸料层表面，厚度为0.1mm；所述压电板在压电地板应用中，层数为1层；预浸料为表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料，尺寸为900×110mm；预混胶料由极化的铁电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮按照质量比例为1:2.5:3均匀混合。制备方法为：（1）将环氧树脂加热熔融后，与丙酮混合配制成胶液，放入胶膜机的胶槽中，然后加入直径为7μm的聚丙烯腈碳纤维浸渍，压辊，得到碳纤维预浸料；环氧树脂、丙酮、碳纤维的质量比例为1：1.5:0.8；（2）将烷基化处理的石墨烯加入到n,n-二甲基甲酰胺中，超声振荡均匀，得到液态混合物，然后放入行星式球磨机中，充分混合，得到均匀的悬浮液；烷基化处理的石墨烯、n,n-二甲基甲酰胺的质量比例为1:2.5；（3）将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接电压为2300v的高压电场的正极，将裁剪的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面，得到表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料；（4）将经极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮混合，在超声波频率为40khz下超声分散36min，得到预混胶料；（5）将表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，涂刷预混胶料，然后放入热压机，在温度为1340℃，压力为2.3mpa下保压时间72s，冷却，即得用于压电发电路面的压电板。测试方法：将本发明制得的道路压电板与叠压为3层，裁剪为长度为500mm，宽度50mm的带状压电板，以金属网为电荷收集网，辅助其他装置，连入压电发电装置，连接电容器，对压电底板施加峰值为20n，频率为10hz的作用力，得到模拟输出电压波形图，并测得压电板极间的电容为cp，外界存储电容为cd，回路中导线电阻为r，压电板的初始能量为e1，存储能量为e2，根据公式η=e2/e1=ccp/（cp+c）2计算能量传输效率，另外，对压电板的施加能量为e0，根据公式η0=e2/e0计算能量转换效率。得到结果如表1所示。对比例1对比例1与实施例1相比，未对石墨烯进行烷基化处理，制得的压电板采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。实施例2压电板依次由预浸料和预混胶料相互叠加组成；其中，预浸料的的厚度为0.5mm，预混胶料涂刷并热压于预浸料层表面，厚度为0.1mm；所述压电板在压电地板应用中，层数为1层；预浸料为表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料，尺寸为700×90mm；预混胶料由极化的反铁电陶瓷，环氧树脂及丙酮按照质量比例为1:2:2均匀混合。制备方法为：（1）将环氧树脂加热熔融后，与丙酮混合配制成胶液，放入胶膜机的胶槽中，然后加入直径为6μm的沥青碳纤维浸渍，压辊，得到碳纤维预浸料；环氧树脂、丙酮、碳纤维的质量比例为1：1:0.5；（2）将烷基化处理的石墨烯加入到n,n-二甲基甲酰胺中，超声振荡均匀，得到液态混合物，然后放入行星式球磨机中，充分混合，得到均匀的悬浮液；烷基化处理的石墨烯、n,n-二甲基甲酰胺的质量比例为1:2；（3）将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接电压为2000v的高压电场的正极，将裁剪的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面，得到表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料；（4）将经极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮混合，在超声波频率为30khz下超声分散30min，得到预混胶料；（5）将表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，涂刷预混胶料，然后放入热压机，在温度为130℃，压力为2mpa下保压时间80s，冷却，即得用于压电发电路面的压电板。采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。对比例2对比例2与实施例2相比，未添加石墨烯，制得的压电板采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。实施例3压电板依次由预浸料和预混胶料相互叠加组成；其中，预浸料的的厚度为0.8mm，预混胶料涂刷并热压于预浸料层表面，厚度为0.2mm；所述压电板在压电地板应用中，层数为1层；预浸料为表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料，尺寸为1000×120mm；预混胶料由极化的钛酸钡陶瓷，环氧树脂及丙酮按照质量比例为1:3:4均匀混合。制备方法为：（1）将环氧树脂加热熔融后，与丙酮混合配制成胶液，放入胶膜机的胶槽中，然后加入直径为8μm的人造丝碳纤维浸渍，压辊，得到碳纤维预浸料；环氧树脂、丙酮、碳纤维的质量比例为1：2:1；（2）将烷基化处理的石墨烯加入到n,n-二甲基甲酰胺中，超声振荡均匀，得到液态混合物，然后放入行星式球磨机中，充分混合，得到均匀的悬浮液；烷基化处理的石墨烯、n,n-二甲基甲酰胺的质量比例为1:3；（3）将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接电压为2500v的高压电场的正极，将裁剪的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面，得到表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料；（4）将经极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮混合，在超声波频率为50khz下超声分散40min，得到预混胶料；（5）将表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，涂刷预混胶料，然后放入热压机，在温度为150℃，压力为2.5mpa下保压时间60s，冷却，即得用于压电发电路面的压电板。采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。对比例3对比例3与实施例3相比，在预浸料表面涂刷预混胶料后未进行热压处理，制得的压电板采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。实施例4压电板依次由预浸料和预混胶料相互叠加组成；其中，预浸料的的厚度为0.6mm，预混胶料涂刷并热压于预浸料层表面，厚度为0.1mm；所述压电板在压电地板应用中，层数为1层；预浸料为表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料，尺寸为800×100mm；预混胶料由极化的钛酸铅陶瓷，环氧树脂及丙酮按照质量比例为1:2:4均匀混合。制备方法为：（1）将环氧树脂加热熔融后，与丙酮混合配制成胶液，放入胶膜机的胶槽中，然后加入直径为7μm的聚丙烯腈碳纤维浸渍，压辊，得到碳纤维预浸料；环氧树脂、丙酮、碳纤维的质量比例为1：2:0.5；（2）将烷基化处理的石墨烯加入到n,n-二甲基甲酰胺中，超声振荡均匀，得到液态混合物，然后放入行星式球磨机中，充分混合，得到均匀的悬浮液；烷基化处理的石墨烯、有机溶剂的质量比例为1:2；（3）将得到的悬浮液放入静电喷射装置的注射器中，注射器喷头连接电压为2400v的高压电场的正极，将裁剪的碳纤维预浸料作为静电喷射装置的负极接收器，推动注射器，将烷基化处理的石墨烯均匀喷涂到碳纤维预浸料表面，得到表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料；（4）将经极化的压电陶瓷粉末、环氧树脂及丙酮混合，在超声波频率为40khz下超声分散35min，得到预混胶料；（5）将表面喷涂烷基化处理的石墨烯的碳纤维预浸料铺于模具内，涂刷预混胶料，然后放入热压机，在温度为140℃，压力为2.5mpa下保压时间70s，冷却，即得用于压电发电路面的压电板。采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。对比例4对比例4与实施例4相比，未使用静电喷射工艺喷涂石墨烯，而是直接机械涂覆，制得的压电板采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。表1：性能指标能量传输效率（%）能量转换效率（%）实施例164.234.3对比例148.226.8实施例264.834.8对比例235.518.6实施例365.335.6对比例354.425.3实施例465.434.8对比例442.223.4当前第1页12