路桥健康监测用微型压电发电装置研制与理论研究

路桥耐久性和安全性问题日益引起人们的普遍关注。传统的监测系统不但耗资大，而且安装不方便，且很难实现实时监测。无线监测系统确保了低廉的造价和安装费用,并使传感器之间的通讯可靠。但微型电源作为其中关键的基础部件发展相对滞后，已成为路桥长期实时健康监测的主要瓶颈。本项目开展了埋置于沥青路面中的微型叠堆式压电换能器、钹式和开槽钹式换能器理论分析、有限元模拟及试验；压电复合材料的制备及性能评价；微型压电换能器的封装盒的设计和制备，微功率电路设计；以及微型压电发电装置耐候性和疲劳性能。研究得到了适合于路面能量收集的四种材料和叠堆式压电发电的力-电转化方程；选择出适合于叠堆式发电机的封装材料为尼龙，钹式换能器的金属帽材料为铜片；研制出叠堆式压电发电单元，开槽式微型压电发电单元和一种沥青基压电复合材料；设计了两种微电路。埋置于沥青混凝土中的叠堆式压电发电装置在不同温度和湿度长时间放置后，压电性能基本不变或者小幅降低；经50万次疲劳试验后，微型压电发电装置的发电能力略有增长。该项目研究为路桥实时、长期的健康监测系统发展具有很大推动作用，同时为开发其它的微型电源提供了可借鉴的理论和方法。 2100433B

路桥耐久性和安全性问题日益引起人们的普遍关注。传统的监测系统不但耗资大，而且安装不方便，且很难实现实时监测。无线监测系统确保了低廉的造价和安装费用,并使传感器之间的通讯可靠。但微型电源作为其中关键的基础部件发展相对滞后，已成为路桥长期实时健康监测的主要瓶颈。国内外在路桥用埋入式微电源方面研究还处在起步阶段。在考虑路桥复杂应力和恶劣环境的基础上，研究微型压电发电装置的力电转化效率，开展电路对充电速率和电能收集效率影响的研究，研究封装材料和封装方法对微型压电发电装置发电效率的影响；最后进行微型压电发电装置的稳定性和耐久性研究，最终得到可用于路桥健康监测用的微型压电发电装置。该项目研究为路桥实时、长期的健康监测系统发展具有很大推动作用，同时为开发其它的微型电源提供了可借鉴的理论和方法。

这种简单的振动发电装置可以代替电池或硬线电力供应设备，从而为数以百万计用在石油和天然气行业的无线传感器提供电力，提高可靠性并最终节省数百万美元。 英国南安普敦大学下属Perpetuum公司称其研制的振动发电装置PMG17是一种安全且耐用的电池和硬线供电设备替代品。

.

复合有压电陶瓷的水泥基压电复合材料，可以将环境中的机械能转换为电能。利用这一特性，可以将水泥基压电复合材料制成路面制品，将行驶车辆所施加给路面的荷载转换为可以工业化使用的电能，还可以将水泥基压电复合材料制成传感器，用于土木结构健康监测。基于这一背景，本项目开展了如下几个方面的研究工作，在压电陶瓷纤维制备工艺和理论方面，研究了塑性聚合物法制备PZT-51压电纤维的基本工艺，确定了原材料的配比，纤维挤制工艺、烧成制度和泥料中的有机物含量对PZT-51压电纤维结构和性能的影响；采用溶胶-粉末法制备了PZT-51压电纤维，研究了PZT溶胶与PZT-51预烧粉的摩尔比、PZT溶胶中的加酸量和加水量、纤维直径等对纤维性能的影响；在压电纤维与水泥基体复合方法方面，制备了0-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51陶瓷颗粒粒度、颗粒级配、颗粒形状等对0-3型水泥基压电复合材料压电性、介电性和机电耦合性能的影响；制备了1-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51压电纤维体积含量对1-3型水泥基复合材料压电性、介电性及机电耦合性能的影响；提出了0-3-1型水泥基压电复合材料的概念,并制备0-3-1型水泥基压电复合材料，对比了其与0-3型水泥基压电复合材料性能的差别。在高性能水泥基复合材料方面，制备了抗折强度为21MPa、抗压强度为120MPa的活性粉末混凝土。此外，本项目还应用Simplorer软件分析了水泥基压电复合材料的能量收集效果；研究了压电堆的集能理论以及压电聚合物的制备方法，发现了掺杂碳纳米管可以提高压电复合薄膜的压电性能，并探讨了其机理。 2100433B