本發(fā)明屬于電子陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶。

背景技術(shù)：

能源和環(huán)境是21世紀人類所關(guān)注的最重要的兩大主題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤、石油等化石能源資源因不斷消耗而日益減少，世界各國都在大力發(fā)展各種可再生能源，希望能夠?qū)h(huán)境中可以回收利用的能量進行收集和轉(zhuǎn)換。一方面人們對能源的質(zhì)量要求不斷提高；另一方面人們的環(huán)保意識也日益增強，加之長期使用化石能源帶來的一系列環(huán)境問題日益突出，對清潔、環(huán)保、可靠、廉價的新能源研究與利用已成為熱點。

近年來利用壓電材料進行能量收集的技術(shù)方法越來越受到人們關(guān)注。使用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。但目前常見的壓電材料往往含鉛，制作過程未能滿足環(huán)保需求。如鋯鈦酸鉛(pzt)是目前市場上常用于傳感器和轉(zhuǎn)換器的壓電材料，但其含有有毒元素鉛對環(huán)境和人體有害，因此迫切需要開發(fā)無鉛壓電材料來替代含鉛壓電材料。另外，機械振動能普遍存在于我們的日常生活環(huán)境中，道路、橋梁、車輛、機床等各種生產(chǎn)或生活設(shè)備中都存在機械振動能量。如何將振動能通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能并加以利用，是近年來的一個技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明采用無鉛壓電陶瓷，制成壓電振子，再通過整流電路將其產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出，從而達到將汽車通過減速帶時的振動能轉(zhuǎn)換成電能，以滿足道路信號燈的日常供電需求。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，包括減速帶本體，減速帶本體的下側(cè)設(shè)有若干蜂窩孔，減速帶本體的下部連接有絕緣板，絕緣板上固定有若干壓電振子，且壓電振子置于蜂窩孔中，所述壓電振子產(chǎn)生的電量通過整流電路轉(zhuǎn)換輸出。

進一步地，所述的壓電振子為無鉛壓電陶瓷材料，所述無鉛壓電陶瓷的分子式為ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.8，x為摩爾分數(shù)。

進一步地，所述的壓電振子的制備方法為：

步驟一：按照無鉛壓電陶瓷的分子式稱取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，將各原料混合后進行球磨處理得到混合料；

步驟二：將混合料煅燒處理后研磨得到陶瓷粉末a；

步驟三：將陶瓷粉末a進行球磨處理，烘干然后研磨得到陶瓷粉末b；

步驟四：將陶瓷粉末b壓成圓柱形，然后進行燒結(jié)得到陶瓷柱；

步驟五：將陶瓷柱的兩個端面涂銀，然后燒制得到壓電振子前體；

步驟六：將壓電振子前體在直流電場下進行極化處理，即得到壓電振子。

進一步地，步驟一中采用無水乙醇作為溶劑進行球磨，球磨時間為3-4h，球磨機轉(zhuǎn)速為45-55r/s。

進一步地，步驟二中煅燒溫度為1350℃，時間為3h。

進一步地，步驟三中采用無水乙醇作為溶劑進行球磨，球磨時間為8-9h，球磨機轉(zhuǎn)速為45-55r/s。

進一步地，步驟4中燒結(jié)溫度為1450℃，時間為3-3.5h。

進一步地，步驟五中涂銀厚度為10-20μm，燒制溫度為800℃，時間為1h。

進一步地，步驟六中將壓電振子前體在800v/mm直流電場下極化處理1小時。

進一步地，壓電振子與蜂窩孔之間的間隙澆注有橡膠。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明將生活中常常被我們忽略的汽車通過減速帶時的上下振動而釋放的機械能，通過壓電振子及配套整流電路收集并轉(zhuǎn)換為電能，在道路路口等處實現(xiàn)路面能量的收集過程，是一種適用于道路環(huán)境的壓電發(fā)電技術(shù)，為開發(fā)新型的綠色能源使用模式提供一個可行的技術(shù)方案，以此迎合對清潔能源的需求。

本發(fā)明的壓電振子采用環(huán)境友好的無鉛壓電材料，對人體無毒性，采用本發(fā)明的制備方法，燒結(jié)時不需要使用揮發(fā)性的鉛氛圍，大大降低了材料制備過程中的污染與毒性。同時，采用本發(fā)明方法制備的壓電振子具備比擬傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鉛的壓電性能，具有較高的壓電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明創(chuàng)新地將壓電振子與減速帶結(jié)合，提供了一種新型的電能收集方法，提高能量利用率。

附圖說明

圖1為壓電振子串并聯(lián)示意圖；

圖2為減速帶安裝正視圖；

圖3為壓電振子在絕緣板上的安裝示意圖；

圖4為基于ltc3588-1整流采集電路原理圖。

其中，1、減速帶本體；2、壓電振子；3、蜂窩孔；4、絕緣板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述：

參見圖2和圖3，一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，包括減速帶本體1，減速帶本體1的下側(cè)設(shè)有若干蜂窩孔3，減速帶本體1的下部連接有絕緣板4，絕緣板4上固定有若干壓電振子2，且壓電振子2置于蜂窩孔3中，壓電振子2與蜂窩孔3之間的間隙澆注有橡膠，所述壓電振子2產(chǎn)生的電量通過整流電路轉(zhuǎn)換輸出。

壓電振子2為無鉛壓電陶瓷材料，所述無鉛壓電陶瓷的分子式為ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.8，x為摩爾分數(shù)，制備方法為：

步驟一：按照無鉛壓電陶瓷的分子式稱取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，精確度應(yīng)至少達到十萬分位量級，將各原料混合后加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機均勻混合3-4小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為45-55r/s，得到混合料；

步驟二：將混合料烘干，加入坩堝中，在1350℃的溫度下煅燒3小時，充分研磨至與原料相同大小的粉末狀，得到陶瓷粉末a；

步驟三：將陶瓷粉末a加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機球磨8-9小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為45-55r/s，然后研磨成粉狀得到陶瓷粉末b；

步驟四：將陶瓷粉末b壓成直徑1mm的圓柱形，然后在1450℃空氣氛圍下燒結(jié)3-3.5小時得到陶瓷柱；

步驟五：將陶瓷柱的兩個圓形表面涂銀10-20μm，然后在800℃的溫度下燒制1小時得到壓電振子前體；

步驟六：將壓電振子前體在800v/mm直流電場下進行極化處理1小時，即得到壓電振子。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明：

實施例1

一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，包括減速帶本體1，減速帶本體1的下側(cè)設(shè)有若干蜂窩孔3，減速帶本體1的下部連接有絕緣板4，絕緣板4上固定有若干壓電振子2，且壓電振子2置于蜂窩孔3中，壓電振子2與蜂窩孔3之間的間隙澆注有橡膠，所述壓電振子2產(chǎn)生的電量通過整流電路轉(zhuǎn)換輸出。

壓電振子2為無鉛壓電陶瓷材料，所述無鉛壓電陶瓷的分子式為ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2，x為摩爾分數(shù)，制備方法為：

步驟一：按照無鉛壓電陶瓷的分子式稱取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，將各原料混合后加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機均勻混合3小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為45r/s，得到混合料；

步驟二：將混合料烘干，加入坩堝中，在1350℃的溫度下煅燒3小時，充分研磨至與原料相同大小的粉末狀，得到陶瓷粉末a；

步驟三：將陶瓷粉末a加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機球磨8小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為45r/s，烘干然后研磨成粉狀得到陶瓷粉末b；

步驟四：將陶瓷粉末b壓成直徑1mm的圓柱形，然后在1450℃空氣氛圍下燒結(jié)3小時得到陶瓷柱；

步驟五：將陶瓷柱的兩個圓形表面涂銀10μm，然后在800℃的溫度下燒制1小時得到壓電振子前體；

步驟六：將壓電振子前體在800v/mm直流電場下進行極化處理1小時，即得到壓電振子。

實施例2

一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，包括減速帶本體1，減速帶本體1的下側(cè)設(shè)有若干蜂窩孔3，減速帶本體1的下部連接有絕緣板4，絕緣板4上固定有若干壓電振子2，且壓電振子2置于蜂窩孔3中，壓電振子2與蜂窩孔3之間的間隙澆注有橡膠，所述壓電振子2產(chǎn)生的電量通過整流電路轉(zhuǎn)換輸出。

壓電振子2為無鉛壓電陶瓷材料，所述無鉛壓電陶瓷的分子式為ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.8，x為摩爾分數(shù)，制備方法為：

步驟一：按照無鉛壓電陶瓷的分子式稱取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，將各原料混合后加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機均勻混合4小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為55r/s，得到混合料；

步驟二：將混合料烘干，加入坩堝中，在1350℃的溫度下煅燒3小時，充分研磨至與原料相同大小的粉末狀，得到陶瓷粉末a；

步驟三：將陶瓷粉末a加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機球磨9小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為55r/s，烘干然后研磨成粉狀得到陶瓷粉末b；

步驟四：將陶瓷粉末b壓成直徑1mm的圓柱形，然后在1450℃空氣氛圍下燒結(jié)3.5小時得到陶瓷柱；

步驟五：將陶瓷柱的兩個圓形表面涂銀20μm，然后在800℃的溫度下燒制1小時得到壓電振子前體；

步驟六：將壓電振子前體在800v/mm直流電場下進行極化處理1小時，即得到壓電振子。

實施例3

一種基于無鉛壓電陶瓷的可發(fā)電減速帶，包括減速帶本體1，減速帶本體1的下側(cè)設(shè)有若干蜂窩孔3，減速帶本體1的下部連接有絕緣板4，絕緣板4上固定有若干壓電振子2，且壓電振子2置于蜂窩孔3中，壓電振子2與蜂窩孔3之間的間隙澆注有橡膠，所述壓電振子2產(chǎn)生的電量通過整流電路轉(zhuǎn)換輸出。

壓電振子2為無鉛壓電陶瓷材料，所述無鉛壓電陶瓷的分子式為ba(ti0.8zr0.2)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.5，x為摩爾分數(shù)，制備方法為：

步驟一：按照無鉛壓電陶瓷的分子式稱取原料bazro3、baco3、caco3以及tio2，將各原料混合后加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機均勻混合3.5小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為50r/s，得到混合料；

步驟二：將混合料烘干，加入坩堝中，在1350℃的溫度下煅燒3小時，充分研磨至與原料相同大小的粉末狀，得到陶瓷粉末a；

步驟三：將陶瓷粉末a加入盛有無水乙醇的球磨罐中，經(jīng)球磨機球磨8.5小時，球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為50r/s，烘干然后研磨成粉狀得到陶瓷粉末b；

步驟四：將陶瓷粉末b壓成直徑1mm的圓柱形，然后在1450℃空氣氛圍下燒結(jié)3.5小時得到陶瓷柱；

步驟五：將陶瓷柱的兩個圓形表面涂銀15μm，然后在800℃的溫度下燒制1小時得到壓電振子前體；

步驟六：將壓電振子前體在800v/mm直流電場下進行極化處理1小時，即得到壓電振子。

采用實施例3制備的壓電振子裝入減速帶中，各原料如表1所示：

表1各原料的質(zhì)量配比

將實施例3制備的壓電振子每三個串聯(lián)成一組，再將五組壓電振子并聯(lián)，如附圖1，將連接后的壓電振子澆注并固定在一塊硬質(zhì)絕緣板中。將澆注后的壓電振子和減速帶的蜂窩孔結(jié)合起來，并在壓電振子與蜂窩孔之間的間隙澆注橡膠，以將其固定于減速帶中。由于橡膠的彈性優(yōu)于減速帶材質(zhì)的彈性，可以增加蜂窩結(jié)構(gòu)抗壓性，其設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。整流電路的設(shè)計是將減速帶振動通過壓電振子產(chǎn)生的電量收集，因其產(chǎn)生的電壓并不恒定，故用整流電路將其轉(zhuǎn)換為恒壓輸出。

將制作好的壓電振子串的兩端引線通過減速帶內(nèi)部引出，并作為輸入端接入整流電路。整流電路可內(nèi)置于信號燈的電路當中，作為其供電電路。整流電路的設(shè)計為輸出端與p1接口相連，將壓電板產(chǎn)生的電能輸入芯片。芯片d0，d1管腳同時選擇接高電位，控制輸出。pgood管腳目的在于檢驗電壓輸出是否良好，此設(shè)計中選擇不接該管腳。vin2管腳用于驅(qū)動芯片內(nèi)部的降壓nmos的柵極，選擇連接4.7μf電容，此管腳不作用外部輸出。cap管腳是為芯片內(nèi)部降壓pmos柵極驅(qū)動。vin是整流過的電壓輸入端，最大可達20v。輸出端選擇47μf大電容，通過轉(zhuǎn)換接口p2可以輸出直流電壓。從p2輸出端連接蓄電池作為電能儲存裝置，蓄電池可連接信號燈，進行供電。

通過估算分析，取雙向四車道上各種汽車折合成小客車的年平均日交通量為40000輛計算，每個減速帶安裝166個壓電振子可以對3個7w的信號燈供電24小時。

本發(fā)明利用壓電材料發(fā)電，作為一種新型發(fā)電渠道，不僅有別于傳統(tǒng)發(fā)電維護成本高，度電成本高且規(guī)模過大，不便于靈活建設(shè)調(diào)度的不足，而且由于發(fā)電本質(zhì)僅僅是廢舊能量的重回收，整個發(fā)電過程環(huán)保零排放。適用于不同類型家庭電器。基于無鉛壓電陶瓷設(shè)計，壓電材料環(huán)保無污染且具有高效的壓電性能，本產(chǎn)品原材料制作技術(shù)屬于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。整流電路部分，將發(fā)電片所發(fā)的電量，通過芯片，實現(xiàn)了整流、升壓等等一系列過程，核心電路部件簡單易用，能量輸出效果好。全國各地的減速帶的數(shù)量很大，在經(jīng)過減速帶的汽車能量耗損一直是以內(nèi)能形式散失，這部分能量的收集將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。