[發明專利]一種適用于道路壓電發電的堆疊式壓電換能器及制作方法

有效

• 申請號: 201710724955.5
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107706299B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 王朝輝;宋志;李彥偉;高志偉;王海梁;王帥;趙建雄
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083;H01L41/25;H01L41/293
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 王孝明

技術領域

本發明屬于道路工程領域，涉及于道路壓電發電，具體涉及一種適用于道路壓電發電的堆疊式壓電換能器及制作方法。

背景技術

我國道路網日漸發達，道路承擔越來越多的車輛荷載。車輛荷載的不斷沖擊和震動將會產生源源不斷的機械能。若這種機械能得到有效收集并轉換成電能，將會作為除太陽能、風能、核能外又一清潔能源?，F階段，我國積極開拓新型智能壓電發電路面的清潔產能模式，對踐行綠色交通，推進綠色公路建設，完成《交通運輸節能環?！笆濉卑l展規劃》目標有重大現實意義。

目前，堆疊式壓電換能器具有力-電轉換效率高、道路耦合性及耐久性好等特點，更適合荷載大、頻率低、工作環境復雜的道路領域的能量收集。常用的堆疊式壓電換能器制作工藝有獨石共燒法與電極粘結法兩種。根據已有資料，由于獨石共燒法燒結溫度低于電極粘結法單片的最佳燒結溫度，故而其換能及機械性能等各項參數略低于最佳參數，從而影響壓電陶瓷的換能效率及結構性能；同時獨石共燒法制得的堆疊式壓電換能器雖整體性好，但脆性大，一經絲毫受損整體破壞，而電極粘結法的堆疊式壓電換能器整體性與抗破壞性能更好，故而電極粘結法宜作為路用壓電換能器的生產工藝。

然而，電極粘結法在人工涂刷電極時，由于陶瓷片外緣有棱角，在棱角處會存在電極層與陶瓷片貼合性差、漏瓷等問題，并且難以保證電極層兩面涂刷的對稱性及均勻性；此外，堆疊時還會出現壓電陶瓷片橫向滑移等問題。因此，亟需一種優化方案使得壓電換能器可以批量化生產并發揮最大功效來滿足道路能量收集領域的需求。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于，提供一種適用于道路壓電發電的堆疊式壓電換能器及制作方法，解決現有的壓電換能器耐久性差、壽命短的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種適用于道路壓電發電的堆疊式壓電換能器的制作方法，該制作方法包括以下步驟：

步驟一、制作圓形陶瓷基片：

采用常規方法制作圓形陶瓷基片；

步驟二、制作圓角陶瓷基片：

將步驟一制得的圓形陶瓷基片用夾具固定，從圓形陶瓷基片對稱的兩端向圓心處打磨，形成一對對稱的電極粘結端面；用倒角工具對一個電極粘結端面的一個邊棱進行倒圓角處理，用倒角工具對另一個電極粘結端面的另一個邊棱進行倒圓角處理，形成圓形倒角，兩個圓形倒角分別與圓形陶瓷基片的兩個不同表面相連，制得圓角陶瓷基片；

步驟三，制作圓角壓電陶瓷單片：

每個步驟二制得的圓角陶瓷基片的兩個表面上還分別設置有隔斷區，隔斷區與圓形倒角在圓角陶瓷基片的兩個表面上相對設置，隔斷區的端部貫通電極粘結端面；每個圓角陶瓷基片的兩個表面上除隔斷區以外的位置為導電區；

采用絲網印刷機在隔斷區印刷絕緣環氧樹脂膠，采用絲網印刷機在導電區印刷導電銀膠，采用手工筆在電極粘結端面涂刷導電銀膠；

在150℃條件下烘干15分鐘，然后對圓角陶瓷基片進行極化，使得每個圓角陶瓷基片的一個表面的導電區形成正極面，另一個表面的導電區形成負極面，制得圓角壓電陶瓷單片；

步驟四，制作堆疊式壓電陶瓷：

將步驟三制得的多個圓角壓電陶瓷單片以物理串聯和電學并聯的方式疊放，并用緊箍裝置固定夾持，豎向靜壓后升溫到120℃并固化4～5小時，制得堆疊式壓電陶瓷；

所述的物理串聯和電學并聯的方式具體為：

將多個圓角壓電陶瓷單片疊放實現物理串聯；

相鄰圓角壓電陶瓷單片的正極面之間通過導電銀膠相接觸導通，使得多個圓角壓電陶瓷單片的正極面并聯導通；相鄰圓角壓電陶瓷單片的負極面之間通過導電銀膠相接觸導通，使得多個圓角壓電陶瓷單片的負極面也并聯導通；相鄰圓角壓電陶瓷單片的一對圓形倒角相鄰設置，相鄰圓角壓電陶瓷單片的一對隔斷區通過絕緣環氧樹脂膠相接觸絕緣，使得多個圓角壓電陶瓷單片并聯導通的正極面和負極面相互隔絕，實現電學并聯；

步驟五，制作堆疊式壓電換能器：

將步驟四制得的堆疊式壓電陶瓷的兩端分別由多個電極粘結端面各自形成一個電極粘結面，即正極粘結面和負極粘結面，正極粘結面上粘結有正極金屬片，負極粘結面上粘結有負極金屬片，正極金屬片和負極金屬片分別通過焊點與導線相連；

在堆疊式壓電陶瓷的頂面粘結頂面絕緣瓷片，在堆疊式壓電陶瓷的底面粘結底面絕緣瓷片，制得堆疊式壓電換能器。

本發明還具有如下區別技術特征：