道路用堆叠式压电俘能单元制备与应用性能

李彦伟， 王朝辉， 石 鑫， 陈 森， 封栋杰

(1. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2. 长安大学 公路学院，西安 710064；3. 石家庄市交通运输局，石家庄 050051)

在当前能源紧缺和气候变暖的严峻形势下，寻求清洁能源发电技术、优化能源结构已成为社会可持续发展的迫切要求，开发压电发电路面将道路行车机械能进行收集利用将带来巨大的经济与社会效益。目前，压电发电路面主要通过在路面结构内埋置压电换能器实现能量的转化[1-3]，以色列Innowattech公司基于压电材料铺筑了一条发电路面试验路，据测算1 km可产生约100～500 kW·h[4-5]，但建设费用昂贵，尚未见诸应用；Moure等[6]研究了钹式换能器用于道路机械能量采集的效果，并通过室内试验对部分结构参数进行了优化改进；Najini等[7]优选了适用于道路机械能采集的压电陶瓷类型，对现有压电换能器用于发电路面的可行性进行了理论研究；Sun等[8]利用有限元软件分析了钹式换能器材料组成、结构尺寸和埋设深度对沥青路面俘能效果的影响规律；王朝辉等[9]从道路耦合性、能量收集等角度对薄片式压电元件进行了结构改进和保护措施设计，并对能量采集电路进行了初步研究。然而，现阶段所做研究多是直接利用现有压电换能器或是对其简单改进后的基础性探索试验，且试验条件较简单、温和，能量输出量级较小，而缺乏针对复杂道路工作环境的换能结构优化及制备，尚未有可以高效匹配于路面发电的压电换能器。

本文针对上述问题，优选出适用于道路发电的压电俘能单元结构形式并优化结构尺寸，改进压电陶瓷片层间印胶工艺，形成路用堆叠式俘能单元成套制作工艺，制备出8种不同规格的压电俘能单元，借助力学性能试验评估结构强度，自主开发压电俘能单元测试夹具并搭建发电性能模拟测试系统，全面研究不同规格压电俘能单元在不同荷载工况下的发电能力，制作典型结构发电路面小尺寸试件，探究压电俘能单元的实际应用效果，以期为实现压电发电路面的应用奠定基础。

1 路用压电俘能单元结构优选与参数优化

不同结构形态压电俘能单元的发电性能和力学性质差异明显，应根据道路环境特点优选出适用于路面发电的俘能单元结构形式，以实现压电发电技术与道路工程的有效结合。

1.1 压电俘能单元结构优选

压电俘能单元埋设于路面结构内部，在车辆荷载作用下发生应力变形实现能量转换，将长期处于高应力、低频振动的复杂工作环境中，同时在发电路面施工时还面临更大冲击力作用，故要求压电俘能单元结构在保证良好发电性能的同时兼具有足够的力学强度。

在道路领域，相关学者已对Cymbal(钹型)、Bridge(桥型)、Thunder(拱型)、Moonie(月牙型)、Multilayer(多层型)、MFC(纤维板型)和Bimorph(悬臂梁型)等现有换能器类型用于路面发电的可行性进行了较多研究，梳理其主要技术性质如表1所示[10-13]。

表1 现有压电换能器技术性质

由表1可知，现有压电换能器应用于道路工程时均存在不同技术缺陷：拱型、纤维板型和悬臂梁型压电换能器刚度较低，难以满足道路发电的力学要求；钹型、桥型和月牙型换能器整体表现为不规则立体形状，应用于道路结构时难以有效固定且承载能力有限，同时制作工艺复杂、成本较高；多层型换能器虽然具有力电转换效率高、刚度大、结构规整等优点，但由于自身刚度和PZT(Lead Zirconate Titanate)厚度的限制，在道路环境中使用时输出电压十分微小，力电转换获得的能量较少。

由上述分析可知，若能解决现有多层型压电换能器电压输出较小、能量转化量较低的问题，则可实现其在道路环境中的有效应用。而电压输出与单层压电陶瓷片的厚度直接相关，故可考虑通过增加单片压电陶瓷厚度，提升结构的整体输出电压，从而有效提升其输出能量量级，此种结构基于多层型压电换能器演变而来，常称之为堆叠式压电结构。由于堆叠式压电结构可在保有多层型换能器结构优点的基础上，有效提高电压输出效果，同时还可通过内部电路连接改变自身电容和内部阻抗，进而提升低频状态下的能量转换效率[14-15]，因此综合考虑结构刚度、规整性与输出电压、发电量及匹配电阻等方面，堆叠式压电俘能结构更契合于高应力、低频振动的道路压电发电工作环境。但目前鲜有其应用于道路发电的研究，故本文采用了堆叠式压电结构开展相关研究，其中各层压电陶瓷间采用并联连接，如图1所示。

1.2 堆叠式压电俘能单元结构参数优化

压电俘能单元作为埋设在路面内部的能量转换构件，其结构参数不仅对能量转换效率影响显著，还直接影响着路面的路用性能，若尺寸过大则易破坏路面结构的完整性，故应综合考虑力-电转换效率、工作耐久性及与道路结构的一体性等方面进行结构参数优化。

图1 堆叠式压电发电结构

1.2.1 堆叠式压电俘能单元的力电转换公式

压电俘能单元在路面结构内受与压电陶瓷极化方向一致的道路压应力作用而输出电能，其力电转换模式为d33型，依据压电方程推导出并联堆叠式压电俘能单元在交变荷载F下激发的理论电荷量Q为

Q=nd33F

(1)

式中：n为并联压电陶瓷的片数；d33为压电应变常数。

压电俘能单元的固有电容C0为

(2)

压电俘能单元产生的电压U0为

(3)

则压电俘能单元通过压电效应转换的电能E0为

(4)

式中：T为F作用在压电俘能单元上的垂向应力。

从能量收集角度出发，压电俘能单元转换得到的能量需要通过外接电容C1进行电荷收集，此时俘能单元产生的电荷Q将在固有电容C0和外接电容C1上重新分配，匹配外接电容的大小则会直接影响到俘能单元的能量输出效果，设充电结束达到平衡状态时的电压为U1，则由电荷守恒计算可得

(5)

结合式(4)计算压电俘能单元的能量输出效率β为

(6)

由式(6)可知，当外接电容C1和固有电容C0相等时，压电俘能单元的能量输出效率最大，而实际中限于陶瓷材料属性限制，俘能单元的固有电容较为微小，故压电俘能单元的结构参数应有利于增加其固有电容，以提高俘能单元的能量输出效率。

1.2.2 压电俘能单元直径优化

由上述力电转换公式可知，保持其他变量不变时，俘能单元的固有电容、可转换电能大小均与其直径长短成正比，但输出电压大小与直径长短成反比，从能量采集电路角度分析，不同类型能量采集电路的最小电压输入通常为几伏[16]，这就要求俘能单元的输出电压不宜过小，因此俘能单元的直径并不是越大越好，同时考虑到路面结构完整性和工作耐久性还应要求俘能单元直径尺寸越小越好。由于以上因素，直径确定时呈现出矛盾关系，而相关研究中多是通过软件仿真对某一直径俘能单元应用效果的验证性试验，但由于材料类型、结构形式及路面结构参数复杂多变，目前尚未有明确的设计原则，为此本文广泛调查了目前已有压电发电路面的研究成果，以期为直径确定提供一定参考，调查结果汇总如表2所示[17-21]。

表2 已有压电发电路面研究成果调查汇总

由表2可知，目前用于发电路面的压电陶瓷片直径约为30 mm，不过由于采用的材料类型、换能器结构及试验条件不同，能量输出效果差异较大，但基本都具备了能量采集的前景，故为与现有研究成果形成对比，本文将压电陶瓷片的直径尺寸初定为30 mm。

1.2.3 压电俘能单元结构厚度优化

发电路面施工时压电陶瓷必然会与石料直接接触，石料棱角产生的应力集中现象极易造成压电陶瓷损坏，故应在俘能单元上下表面加设一层刚性金属保护基板。因此，俘能单元的厚度组成主要来自保护层厚度和压电陶瓷片厚度，忽略黏结剂的影响，堆叠式压电俘能单元的总厚度H为

H=2h1+nh

(7)

式中：h1为保护基板厚度，多采用刚性铜板，可在0.2～0.5 mm内取值，本文选用的厚度为0.2 mm。

若允许压电俘能单元的最大安装高度为L(考虑到俘能单元厚度对路面结构完整性的影响，取L=10 mm)，则H≤L，由式(7)可得

(8)

由式(4)可知，在压电俘能单元总厚度一定时，其总电能转换量与单层压电陶瓷的片数和厚度无关，而由式(2)可知，俘能单元固有电容随厚度与其横截面面积比值的增加而减少，即面积一定时单片压电陶瓷的厚度越小储能越多，可认为俘能单元存储的电荷量与压电陶瓷层数成正比，故在面积已确定前提下，压电陶瓷片厚度h应取较小值，以使n取较大值，但h值过小时，压电陶瓷输出电压较弱且结构强度小，制作及应用过程中易破坏，同时厚度h与经济成本成正比。因此，综合考虑以上因素可将压电片厚度h控制在0.5～1.0 mm，本文采用0.5 mm和1.0 mm两种规格进行试验。

综上所述，本文采用的路用堆叠式压电俘能单元结构参数如下：压电陶瓷片直径为30 mm，厚度为0.5 mm或1.0 mm；金属保护基板直径为30 mm，厚度为0.2 mm。

2 路用堆叠式压电俘能单元制备

堆叠式压电俘能单元的发电性能和力学强度受压电陶瓷类型、层间黏结强度及电学导通性等因素影响显著，与原材料选择和制备工艺直接相关。

2.1 压电陶瓷与辅助材料选择

压电陶瓷类型选择应以力-电转换效率为基本出发点，选择具有高机电耦合系数和高压电常数的类型[22]，基于此并结合表2已有研究成果定制了涂布有银电极的PZT-5H压电陶瓷片，其具体技术指标如表3所示。

表3 PZT-5H压电陶瓷材料技术指标

压电俘能单元应用时面临复杂的道路工作环境，在沥青路面施工时需承受高温高压作用，使用期间则需长期经受不同轴载车辆的复杂应力作用，故要求压电俘能单元具备优异力学性能的同时还应具备出色的耐高温、耐久性能，而层间黏结剂和外部封装材料则是形成俘能单元整体结构强度的关键因素。因此，选择层间黏结剂和封装材料时应兼顾黏结强度、耐高温性能、凝固时间等因素，综合比选后确定层间黏结剂为3M-DP460环氧树脂胶，封装材料为618#环氧树脂胶。此外，本文采用了0.03 mm厚的紫铜箔作为层间电极层，采用了0.2 mm厚的铍青铜板作为压电俘能单元的上下刚性保护板。

2.2 路用堆叠式压电俘能单元制备

堆叠式压电结构可采用两种工艺制作：黏结法和烧结法，烧结法是将压电陶瓷粉体与电极层叠加后一次烧结成型，整体结构性能优异，但加工技术苛刻且成本高昂，一般用于工业化大规模生产；黏结法则是通过制作已涂电极层的成品压电陶瓷片，继而在其表面粘贴电极层，焊接并引出导线，按照所需层数叠加黏结而成，技术要求和制作成本相对较低。本文采用优化了的黏结法制备路用堆叠式压电俘能单元，主要工艺如下：

① 表面处理。黏结前将电极层及保护铜板用压板夹紧以保证平整性，先将其置于320 °C环境中加热2 h，冷却至室温后用砂纸打磨除去紫铜箔电极的表面氧化层，并使用丙酮溶液擦拭电极层、保护铜板和压电陶瓷电极表面，保证表面洁净、无杂质。

② 层间丝网印胶。传统涂胶方式易出现上胶不均匀等问题而导致层间出现气泡，降低了层间黏结强度和电学导通性，为此本文引进丝网印刷技术涂抹层间黏结剂，其技术原理为：定制印版(根据实际需求在基板上制作出可通过胶水的孔眼，其余部分封堵)，如图2所示，借助外界压力使胶水通过印版孔眼转移到陶瓷片上，形成一层厚度薄、均匀性好、无气泡的胶层，胶层厚度可控制在0.01～0.015 mm，印胶前后对比效果如图3所示。

图2 丝网印版

③ 压电陶瓷黏结及固结。黏结时按照压电陶瓷正极接正极、负极接负极的原则，将金属电极与压电陶瓷上下对齐迅速贴合，叠加完成后在表面放置500 g砝码，并置于90 ℃恒温条件下加压固化。

图3 印胶前后对比效果

④焊接导线及封装。将层间电极分别进行正、负极搭接，在正、负极总输出端分别焊接细导线，放入定制的固封结构中，在压电堆叠侧面灌封618#环氧树脂黏稠体进行压电堆叠单元的封装，封装完成前后的堆叠式压电俘能单元，如图4所示。

(a)封装前(b)封装后

图4 堆叠式压电俘能单元

Fig.4 Piezoelectric stack harvesting unit

基于上述制作工艺，本文制备了8种不同规格的路用堆叠式压电俘能单元，具体尺寸规格如表4所示。

表4 堆叠式压电俘能单元的规格尺寸表

3 路用堆叠式压电俘能单元应用结构强度研究

堆叠式压电俘能单元作为实现道路机械振动能量到电能转换的核心元件，在发电路面施工及应用过程中承受着复杂的应力作用，可靠的结构强度是实现功能效果发挥的重要前提。

3.1 堆叠式压电俘能单元力学性能测试

行车荷载产生的道路压应力是促使压电堆叠俘能单元产生电能的直接激励因素，俘能单元在受压过程中首先产生弹性变形，此时俘能单元可正常工作，而当压应力超过一定限值时俘能单元将发生塑性变形，导致工作状态失效，故借助MTS万能试验机测试俘能单元抗压屈服强度，以明确堆叠式压电俘能单元是否可满足道路内部工作环境的要求，试验测试结果如图5所示。

由试验测试结果可知，试验前半段压应力与俘能单元压缩量呈现出非线性变化趋势，分析原因为层间黏结剂和层间电极的存在改变了整个结构的力学特性，而随着力值的增加，两者呈现出线性变化趋势。在达到仪器可提供的最大加载荷载80 kN时，测试结果仍然呈现出非常规律的线性增长趋势，此时依据俘能单元受压面积换算得压应力值为88 MPa，远超路面结构内部可能存在的竖向压应力范围，表明堆叠式俘能单元具备十分优异的结构强度，能够满足道路大荷载状况下的强度要求。

(a) 压电俘能单元抗压性能测试

(b) 压应力与位移关系曲线

3.2 基于振动加载成型的俘能单元应用结构强度研究

压电俘能单元在发电路面实际应用中面临更复杂的荷载作用条件，特别是施工时高荷载压路机的振动碾压作用，若经历该环节后俘能单元仍能保持结构完整，则可满足道路施工、应用中的绝大部分强度考验。因此，参照我国现行沥青路面施工规范，借助振动压实成型设备制作发电路面小尺寸试件以模拟振动压路机的作业状况，设置激振力为10 kN、激振频率40 Hz、振动时间200 s，将俘能单元埋置于约40 mm深度处分层铺筑成型试件，试验过程如图6(a)所示。由于压电陶瓷具有有限的安全工作温度范围(应小于居里温度的一半)，当压电陶瓷达到居里温度点时将发生热退极化而丧失压电性能，本文采用压电陶瓷的居里温度点为200 ℃，而沥青路面在铺筑时温度会达到150 ℃，存在热退极化的风险，故本文在试验前为俘能单元表面涂刷了一层高温隔热涂料(导热系数为0.032 W/m·K)。将成型完成的试件放置于烘箱中烘至软化松散，剥离混合料并取出俘能单元，观察其结构完整性，俘能单元状态如图6(b)所示。

(a)振动成型发电路面试件(b)取出后的俘能单元

图6 基于振动加载成型的俘能单元结构强度测试

Fig.6 The structure strength test of harvesting unit based on the vibration loading forming

由图6(b)可知，经历高频高压振动压实工序的俘能单元结构整体基本完好，仅是封装材料在高温作用下出现一定形变，主体结构无裂纹、错位等破坏迹象，同时采用万用表测得试验前后俘能单元的电容量分别为83.5 nF和79.6 nF，可见经历高温作用后俘能单元未发生明显热退极化，表明堆叠式发电俘能单元能够出色的经受住高频振动压实过程所施加的高温大荷载作用，能够满足道路铺筑施工及应用阶段的各项强度要求。

4 路用堆叠式压电俘能单元发电性能研究

不同规格俘能单元在不同荷载工况下的发电性能必然存在差异，故有必要对压电俘能单元的电学输出效果进行模拟测试，并探究小尺寸试件下压电俘能单元的应用效果，以为压电发电路面的实际应用及不同应用环境下俘能单元规格选择提供依据。

4.1 压电俘能单元发电性能模拟测试系统搭建

压电俘能单元需要借助面层分层铺筑技术埋置于路面结构内部，标准轴载下不同埋置深度对应的竖向应力值多在0.3～0.5 MPa，依据压电俘能单元尺寸换算成荷载大小为212～353 N；同时以前后轴距2.5 m、行驶速度80 km/h为典型行车特性，计算得车辆前后轮作用频率约为10 Hz，而路面结构在车辆荷载作用下也表现出一定的振动频率，约为15 Hz[23]。因此，本文选定212 N、353 N、10 Hz、15 Hz为荷载控制参数，排列组合出4种典型荷载工况(212 N-10 Hz、212 N-15 Hz、353 N-10 Hz、353 N-15 Hz)，并基于此搭建了压电俘能单元发电性能的模拟测试系统。

信号发生器、功率放大器、高能激振器、数字存储示波器、力学控制系统及测试夹具等共同组成了模拟测试系统，如图7(a)所示。其中由信号发生器产生简谐信号，借助功率放大器进行放大，从而驱动激振器工作，为置于测试夹具中的俘能单元提供正弦激振力，并通过力学控制系统精确控制激振力输出，由示波器对输出的电信号进行数值采集和存储。

测试夹具系自主设计开发，能够真实可靠的模拟俘能单元在路面内部的工作状态，整体结构由四条竖直固定撑杆和上、下两块可移动刚性固定夹板构成，上、下夹板之间可固定车辙板试件，下夹板中央部位预留有俘能单元夹持装置安装孔，俘能单元夹持装置由内外两层高强PVC(Polyvinyl Chloride)塑料波纹管通过螺纹内嵌得到，如图7(b)所示。可满足不同规格俘能单元的测试需求，使用时通过调整内层螺纹管使俘能单元上表面与车辙板表面紧密接触，以模拟其在路面结构中的真实受力面，同时在外波纹管一侧开设有小孔，用于引出导线连接到示波器。

(a) 模拟系统组成

(b) 俘能单元夹持装置

4.2 基于模拟测试系统的压电俘能单元发电性能研究

4.2.1 压电俘能单元输出开路电压

理论上压电陶瓷材料参数及尺寸相同，同一荷载条件下压电俘能单元的开路电压仅与压电陶瓷片的厚度成正比关系，而与堆叠层数无直接联系，由两种不同厚度压电陶瓷片制作而成的俘能单元开路电压应互为倍数关系，而由同一厚度压电陶瓷片制作而成的俘能单元输出开路电压应表现出相近的关系。利用上文搭建的发电性能模拟测试系统，分别测试上文中4种荷载工况下各规格俘能单元的输出开路电压值，记录测试结果如表5所示。

表5 不同荷载条件下各俘能单元输出开路电压

分析表5可知，不同荷载作用条件下各俘能单元均具有良好的电压输出特性，最大开路电压输出值可达37.80 V；212 N-15 Hz荷载条件下单片1.0 mm厚型压电俘能单元的开路输出电压约为19.0 V，而单片0.5 mm厚型压电俘能单元的开路输出电压约为9.0 V，二者呈现出较为明显的2倍关系，其他荷载条件下多数约为1.8倍的关系，符合预期结果；不同堆叠层数俘能单元输出电压值基本在一个水平，表明堆叠层数的改变对于输出开路电压无直观影响，但进一步观察可见，由同一厚度压电陶瓷片堆叠而成的俘能单元输出开路电压随着堆叠层数的增加出现了轻微的降低现象，分析原因为：随着堆叠层数的增加，荷载应力向下传递的过程中逐渐衰减，导致层数多的俘能单元输出电压出现一定程度降低现象。

4.2.2 不同负载阻值压电俘能单元输出电压

压电俘能单元应用于道路发电时，其输出端将连接能量采集存储电路或是不同特点的用电设备，负载特性各不相同，为便于确定不同规格俘能单元能量输出的最佳匹配负载，本文对不同负载阻值下的俘能单元输出开路电压变化规律进行研究。试验时在俘能单元输出端连接不同阻值电阻，示波器并联于电阻两端，记录不同阻值电阻的端电压，分别测试在不同工作条件下各规格俘能单元的变化曲线，其中212 N-10 Hz荷载工况下单片1.0 mm厚型压电堆叠单元的输出电压与负载电阻关系，如图8所示。

由图8分析可知，压电俘能单元输出电压随负载阻值的增大呈现出增大趋势，前期变化幅度明显，后期较为平缓，最终趋于稳定并无限接近于俘能单元的输出开路电压。同时，堆叠层数越多的压电俘能单元，前段电压随阻值的变化趋势越陡，间接表明其输出功率更大。

4.2.3 压电俘能单元输出功率

由于压电陶瓷能量输出相对高电压、低电流，输出能量级微小，故不能仅以输出电压值大小评判俘能单元的发电效果，为更直观地评价不同规格压电俘能单元的发电能力，需计算出各规格俘能单元在不同工况下的输出功率，其中212 N-10 Hz荷载工况下单片1.0 mm厚型压电俘能单元的输出功率与负载电阻关系，如图9所示。

图8 212 N-10 Hz荷载工况下单片1.0 mm厚型俘能单元输出电压与负载电阻关系曲线

Fig.8 Relationship curves of load voltage and the output voltage of harvesting unit with monolithic thickness of 1.0 mm under the load of 212 N-10 Hz

图9 212 N-10 Hz荷载工况下单片1.0 mm厚型俘能单元输出功率与负载阻值关系曲线

Fig.9 Relationship curves of load voltage and the output power of harvesting unit with monolithic thickness of 1.0 mm under the load of 212 N-10 Hz

由图9可知，同一规格下压电俘能单元的输出功率与堆叠层数正相关，堆叠层数越多，输出功率越大，212 N-10 Hz荷载工况下1层最大输出功率为4.07 mW、2层为7.64 mW、4层为15.70 mW、6层为22.74 mW，大致与堆叠层数成倍数关系；输出功率随负载阻值的变化过程中存在一个最佳负载阻值，此时压电俘能单元的输出功率最大，同时随着堆叠层数的增加，输出功率曲线的峰值点逐渐左移，即对应的最佳负载阻值在逐渐减小，表明堆叠层数的增加可有效减小负载电阻的匹配阻值。

试验研究表明其他荷载工况下压电俘能单元的输出功率情况亦符合上述规律，为更直观地表示各压电俘能单元的发电能力，汇总不同荷载工况下各压电俘能单元的最大输出功率并绘制成柱状图，如图10所示。

图10 不同荷载工况下各压电俘能单元最大输出功率

Fig.10 The maximum output power of harvesting units with different loads

由图10可知，同一荷载工况、同一堆叠层数下单片1.0 mm厚型俘能单元的输出功率明显大于单片0.5 mm厚型俘能单元，表明单片压电陶瓷厚度的提升有助于增大俘能单元的输出功率；随着荷载或频率增大，同一规格俘能单元的输出功率均有提高，表明在合理限度内高行车速度下发电效果更优，而俘能单元输出功率值随着激振力的增大出现了非线性的明显增大过程，表明该技术应用于重车较多的路段将获得更为明显的能量输出效果；不同规格俘能单元的输出功率多在几十毫瓦之间，其中353 N-15 Hz荷载工况下，30-1.0-6型俘能单元的输出功率最大可达183.2 mW，相较于已有压电俘能结构，能量输出效果十分突出。

5 基于小尺寸试件的压电俘能单元应用性能研究

压电俘能单元埋置于路面结构内部，自身承受着致密道路材料的各向约束作用，工作环境较模拟测试系统存在一定差异，同时考虑到行车荷载作用下路面结构内部还存在较大的剪应力和弯矩，有破坏俘能单元结构的可能，而上文结构强度一节研究中由于测试仪器受限未能对此进行评估，故本节综合考虑上述因素通过预制小尺寸试件进一步评估俘能单元在真实路面结构中的能量输出效果及其工作稳定性。

5.1 能量输出效果

选用上文模拟发电性能更好的30-1.0-6型压电俘能单元制作发电路面小尺寸试件，以6 cmAC-16+4 cmAC-13典型路面结构分层成型车辙板试件，压电俘能单元埋置于6 cmAC下面层上部，借助车辙仪施加0.7 MPa的标准轴载作用，测试小尺寸发电路面试件的输出电压并计算其最大输出功率，试验过程如图11所示。

(a)发电路面小尺寸试件(b)胶轮加载测试

图11 发电路面小尺寸试件压电性能试验

Fig.11 Piezoelectric property test of power pavement small specimen

通过试验可得小尺寸试件输出开路电压为8.72 V、最大输出功率为11.06 mW，相较上文类似荷载条件下的模拟测试结果出现了明显的降低，分析原因可能为：俘能单元在路面结构内部受到致密沥青混合料的各向约束作用，没有足够的振动空间，而模拟测试试验中由于采用的是中空夹持装置仅实现了俘能单元下表面的受力状况模拟，侧面及顶面并没有致密的约束介质，同时沥青混合料的力学传递特性不如激振器的力学加载方式直接、高效、均匀，故而造成了俘能单元能量输出效率的降低。

因此，后续研究中可考虑改变发电路面的结构组合形式及压电俘能单元的埋置方式，以进一步提高发电路面的能量输出效果，而参考表2现有研究结果可知，相较已有俘能器多在微瓦和几毫瓦的功率输出，本文制备的堆叠式压电俘能单元大幅提升了输出功率，具备更优异的发电性能，完全可以满足道路机械能量采集的要求，若采用一定的阵列方案创建基于数十个压电堆叠的并联发电系统，其能量输出量级将进一步扩大，应用前景十分理想。

5.2 工作稳定性

为验证压电俘能单元在频繁荷载作用下的工作稳定性，并明确路面结构内部剪应力和弯矩是否会对俘能单元产生破坏，本文采用车辙仪胶轮对小尺寸试件施加长时间的往复荷载作用，每碾压100次记录一次结果，选定碾压5 000次作为测试终止时间，记录输出开路电压与碾压次数的关系，如图12所示。

由图12可知，俘能单元输出开路电压随碾压次数的增多呈现出逐渐减小的趋势，但降低幅度十分微小，5 000次荷载重复作用下并未出现明显的压电性能衰减现象，表明俘能单元具有良好的工作稳定性，同时也说明了路面剪应力和弯矩基本不会对俘能单元结构造成破坏，分析输出开路电压出现一定程度减小的原因为：胶轮重复作用加深了道路结构材料的致密程度，使俘能单元受到了更为紧密的约束作用，导致其振动空间减小，宏观表现为输出开路电压出现了轻微的降低。

图12 发电路面开路电压与碾压次数关系

Fig.12 Relationship curves between open circuit voltage and rolling times of power pavement

6 结 论

(1) 针对道路振动能量采集对俘能结构的性能要求，优选出适用于道路发电的堆叠式压电俘能单元结构，并优化设计了俘能单元结构参数，选定直径为30 mm、厚度为0.5 mm和1.0 mm的PZT-5H压电陶瓷片作为研究对象。

(2) 优化了压电陶瓷片层间印胶工艺，形成堆叠式压电俘能单元成套制作工艺，制备出8种不同规格的路用堆叠式压电俘能单元。

(3) 借助MTS万能试验机和振动压实成型设备明确了堆叠式压电俘能单元的结构强度，压电俘能单元在MTS施加最大荷载状况下(80 kN)及激振力为10 kN、频率为40 Hz的模拟振动压实工况下均能保持完好，表明压电俘能单元结构强度可满足道路使用要求。

(4) 自主开发压电俘能单元测试夹具并搭建发电性能模拟测试系统，测试了不同规格压电俘能单元的能量输出效果，结果表明：在试验研究范围内荷载大小、加载频率、压电陶瓷片厚度及堆叠层数均与俘能单元的发电性能正相关，其中在353 N-15 Hz荷载工况下，单片1.0 mm厚型压电俘能单元的最大开路电压可达37.8 V，最大输出功率可达183.2 mW。

(5)选用30-1.0-6型压电俘能单元制作了典型结构发电路面小尺寸试件，在标准轴载作用下的输出开路电压为8.72 V、最大输出功率为11.06 mW，后续可进一步研究路面结构及俘能单元埋置方式对发电路面能量输出的影响规律，以提高发电路面的能量输出效果。

参 考 文 献

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