压电材料在路面上的应用
【摘要】压电材料已在很多领域得到广泛应用，但在道路工程领域却鲜有涉及，考虑到路面每天都要经受汽车的重复荷载作用，其产生的能量是不可估量的，若能用来发电，必然能产生很好的经济与环保效益，为此，文章从机电转换理论，压电材料、压电换能器选用到其在路面内的布设都进行了分析研究。
【关键词】压电效应，压电材料，换能器，布设
1 绪论
目前，诸如煤、石油等常规能源的短缺已经成为制约我国经济发展的重要因素，因此，开发利用新能源就显得愈发重要。从能量角度考虑，物体的变形和振动都会产生能量，在道路工程中，沥青混凝土路面在行车荷载作用下会产生变形及振动等广义位移。在路面的设计使用期内，路面会经受反复的行车荷载作用，而每次荷载作用都会使路面产生应变能及动能。据估计，一辆6轮货车通过沥青路面一次，可以产生约1J的机械能[1]。事实上，这部分能量最终会变成路面的热能消耗在路面中，并增加路面损坏的风险，而收集这部分能量之后，则可以减缓对路面的损坏。利用压电效应把机械能转换为电能，其核心是在不影响车子（包括汽车和火车）正常行驶的情况下将运动着的车子的动能转化为电能的道路发电形式，并且发电材料的发现为在沥青路面内收集能量提供了可能性。
2 压电转换基本理论
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，其值的大小与应力的大小成正比，其符号取决于应力的方向。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，其应变值的大小与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向。电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
压电效应产生的根源是没有对称中心的晶体中离子电荷产生的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，内部电场为零。但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称，就会出现净极化现象，并将伴随产生一个电场[2]。
3压电材料比选
3.1 无机压电材料
（1）压电晶体：压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂等。
（2） 压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，这是一种具有压电效应的材料。压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT等。
3.2有机压电材料
又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。聚偏氟乙烯（PVDF）压电，热电材料是20世纪70年代以来发展起来的功能材料，它是以PVDF树脂经特殊的工艺处理而制成的一种新型机电，热电转换材料[3]。
3.3 复合压电材料
这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的，至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。
4 能量收集系统的布设及效益分析
4.1 压电换能器的比选
4.1.1常用压电换能器结构形式
目前，可应用于沥青混凝土路面能量收集的传感器主要有：多层式换能器（Multilayer），Cymbal，Moonie，Bridge，THUNDER，MFC和Bimorph等。其中Multilayer由多层极薄的PZT构成；Cymbal由两片波式金属端帽夹一层圆形PZT构成；Moonie的结构与Cymbal类似，其端帽为两端平整，中间内凹的圆形金属片；Bridge的构造也与Cymbal类似，但其金属端帽为矩形；THUNDER由两片具有不同温度特性的金属材料夹一片压电陶瓷构成，在高温下粘合，冷却到常温下呈弧形。MFC是一种复合的压电陶瓷薄片；Bimorph是一种悬臂梁式的双层压电陶瓷片[4]。
4.1.2 换能器性能初步评价
分析可知[1]： Mult ilayer 具有最高的能量转换效率，但是由于换能器的刚度很大，反而从路面获得的能量并不多；THUNDER 具有较高的换能效率和较大的输出能量，但是其刚度远小于路面的刚度，需要提高刚度后使用；Bridge和Cymbal具有较好的换能效率、输出能量，以及中等的刚度；MFC是一层薄膜，单独使用的效率不高，需要组合成特殊结构以提高效率；Moonie的换能效率过低，不建议在路面中使用。这些常见的换能器都能承受100 万次以上的最大限载的重复作用， 具有较好的抗疲劳性能。换能器的效率除了与自身结构有关外， 还与换能器的尺寸有关。 因而， 需要对换能器进行优化设计以提高换能的能力。另外，考虑到沥青路面的特性及装置布设的可行性，初步确定选用桥式压电换能器[5]。
4.2 能量收集系统的布设
当车辆荷载经过时，路面将产生压缩变形，变形量（挠度）与汽车重量和沥青刚度成正比。考虑行车荷载的振动性能，施工时将换能器布设于路面下5cm左右处，相互之间以导线连接，每条车道得到的能量汇总到两条线上，最终再统一收集起来。
设计时以小型汽车和典型双向四车道沥青路面为例，我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100的轮载P=100/4kN，p=700kPa，计算得相应的车轮当量直径为d=0.213m。施工时将捆绑到一起的若干压电装置放于一防水橡皮垫内（与沥青混合料具备相同大小的粘弹性），将装置布设于车辆轮迹处路面下5cm左右处，因为处路面的压缩变形最大。
5 结论与展望
5.1 结论
（1）压电材料具有将机械能转换成电能的能力，将合适的压电换能器埋置于路面内部，则外力产生的机械能可以被转换成电能，并可被进一步收集和利用。
（2）换能器的效率除了与自身结构有关外， 还与换能器的尺寸有关。 因而， 需要对换能器进行优化设计以提高换能的能力。另外，考虑到沥青路面的特性及装置布设的可行性及路面行车荷载的复杂性及换能器的耐久性，选用矩形桥式压电换能器结构。
（3）压电换能装置布设于车辆轮迹处路面下5cm左右处，并且平行路面布设，因为处路面的压缩变形最大。
5.2 展望
将压电材料应用于道路工程现在还处于起步阶段，理论研究还尚未成熟，关键技术还有待进一步研究，如压电陶瓷的参数对能量收集装置发电性能的影响，提高机电转换效率的途径以及如何降低能量收集电路、转换电路、控制电路的功耗，提高电路的稳定性等。相信随着国内外研究是深入，新材料新方法的采用，相应设计规范的提出以及能量转换效率的提高，把压电材料应用于道路领域收集能量必将展现出更好的应用前景。
参考文献：
[1]赵鸿铎，梁颖慧，凌建明. 基于压电效应的路面能量收集技术初探[A].上海市土木工程学会道路与交通过工程专业委员会学术年会论文集[C]. 上海：上海交通出版社，2010：342-347.
[2] 袁秋洁. 基于压电材料的振动能量收集理论及其结构分析[D].保定：华北电力大学
[3] 潘家伟.基于压电效应的能量收集[D]. 南京：南京航空航天大学
[4] 李雯. 基于压电悬臂梁的环境振动能量获取方法的初步研究[D].天津：天津大学，2008.
[5] 陈宇杰，赵鸿铎.沥青路面内桥式压电换能器性能分析[C].上海市交通运输工程学科研究生学术论坛，2011.