一种基于压电材料的发电地板的制作方法

xiaoxiao2020-6-28  9

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专利名称:一种基于压电材料的发电地板的制作方法
技术领域
本发明涉及一种发电地板,具体说,是涉及一种基于压电单晶材料制作的可收集人踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶产生的机械能并将其转换成电能的发电地板,属于新型能源器件技术领域。
背景技术
能源和环境是21世纪人类所关注的最重要的两大主题。随着经济的发展,煤、石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少,世界各国都在大力发展各种可再生能源,希望能够将环境中可以回收利用的能量进行收集和转换。压电能量收集器就是实现这一功能的一种器件,它是通过压电材料的压电效应,将环境中的各种振动能收集转换为电能。压电能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、结构简单、体积小、易于满足集成化要求、无需外加偏置等特点,并且不产生噪声,不受电磁干扰,所以压电能量收集器受到了越来越多的关注。Cymbal (铙钹)结构的换能器「参考文献(I)Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics,1996, (ISAF' 96.), 1 (1996),213-216 ; (2) Ferroelectrics, 273 (2002),315-320.]是由中间的压电圆盘和上下两面上各一个铙钹形的金属帽粘结而成;Moonie (弯月)结构「参考文献(1) IEEE 1993 Ultrasonics Symposium,509-513 ; (2)Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 6 (1995),447-455.]与Cymbal (铙钹)结构相似,只是金属帽为Moonie形状; 当受到竖直方向的压力时,金属帽会将部分竖直方向的力传递给压电片并转变成水平方向的力,压电片即会受到拉伸作用而发生形变,从而诱导出电荷。该结构可以使材料的压电常数得以有效的放大。以铌镁酸铅-钛酸铅(化学组成为(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,简称为PMNT) 压电单晶为代表的高性能压电材料在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能,d33,d31 > 2000pC/N, k33,k31 > 90%,这些性能都远远高于常用的压电陶瓷材料。国内已经采用改进的Bridgman方法成功地实现了高质量大尺寸PMNT单晶的批量生产(ZL专利号99113472. 9),为新型压电单晶在能量收集器上的应用提供了材料上的保证。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于压电单晶材料制作的可收集人踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶产生的机械能并将其转换成电能的发电地板,为本领域增添一种新型压电能量收集器件。为实现上述发明目的,本发明采取的技术方案如下—种基于压电材料的发电地板,包括底座和盖板,其底座上粘结有若干用作电极的金属条,每根金属条上等间距的设有若干结构基元;所述金属条之间通过导线相连接; 所述底座上金属条之间的间隔处粘结有用于限制结构基元形变量的安全垫片;所述盖板上与底座的结构基元相接触的位置粘结有若干金属条,金属条之间通过导线相连接;所述结构基元由压电片和金属帽粘结而成;所述底座的四角粘结有固定帽,盖板的四角粘结有与固定帽相适配的固定栓。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其结构基元采用铙钹(Cymbal)结构或弯月(Moonie)结构。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其压电片采用压电陶瓷材料或压电单晶材料或复合压电材料。所述压电单晶材料优选PMNT单晶材料,进一步优选取向为<001>或<110>的PMNT 单晶材料。所述PMNT单晶材料的组成通式为(I-X) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,最优组分为 0. 20 彡 χ 彡 0. 40。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其压电片为压电陶瓷材料时,结构基元采用圆形。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其压电片为压电单晶材料时,结构基元采用矩形。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其底座和盖板采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有机玻璃等聚合物材料或胶木等木质材料。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其结构基元所使用的金属帽采用锰钢、不锈钢、钨钢、铍铜、磷青铜、紫铜或其它弹性较好的金属或合金材料。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其安全垫片采用钢材制成。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其固定帽和固定栓采用金属或塑料制成,固定栓的外径与固定帽的内径相匹配。作为优选方案,上述基于压电材料的发电地板,其金属条可采用铜、铝或其他金属制成。与现有技术相比,本发明基于压电材料,尤其是基于高性能压电单晶材料制作的压电发电地板可对施加于其上的力学激励产生较大的电学输出,响应时间快,结构简单,制作方便,造价便宜,可被广泛用于收集人踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶产生的机械能, 并可将收集的机械能转换成电能用于传感器等器件的自助供电,因此,本发明提供的发电地板与传感器结合,在医疗检测、射频识别、飞机桥梁检测及各种环境监测中具有广泛的应用前景。


图1为本发明所述的发电地板的结构示意图;图2为实施例1提供的发电地板的底座结构示意图;图3为实施例1提供的发电地板的结构基元的结构示意图;图4为本发明所述的发电地板中的盖板结构示意图;图5为本发明所述的发电地板中的固定帽和固定栓的结构示意图;图6为本发明所述的发电地板中的安全垫片的结构示意图;图7为实施例2提供的发电地板的底座结构示意图;CN 102409833 A
说明书
3/3页图8为实施例2提供的发电地板的结构基元的结构示意图。图中1、固定帽;2、安全垫片;3、金属条;4、结构基元;5、导线;6、底座;7、固定栓;8、盖板;9、压电片;10、金属帽。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地说明实施例1如图1至图6所示本发明提供的一种基于压电材料的发电地板,包括底座6和盖板8,其底座6上粘结有若干用作电极的金属条3,每根金属条3上等间距的设有若干结构基元4 ;所述金属条3之间通过导线5相连接;所述底座6上金属条3之间的间隔处粘结有用于限制结构基元4形变量的安全垫片2 ;所述盖板8上与底座6的结构基元4相接触的位置粘结有若干金属条3,金属条3之间通过导线5相连接;所述结构基元4由压电片9和金属帽10粘结而成;所述底座6的四角粘结有固定帽1,盖板8的四角粘结有与固定帽1相适配的固定栓7。结构基元4采用Cymbal结构。压电片9可采用压电陶瓷材料或压电单晶材料或复合压电材料。结构基元4采用矩形。底座6和盖板8可采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有机玻璃等聚合物材料或胶木等木质材料。结构基元4所使用的金属帽10可采用锰钢、不锈钢、钨钢、铍铜、磷青铜、紫铜或其它弹性较好的金属或合金材料。 安全垫片2推荐采用钢材制成。固定帽1和固定栓7可采用金属或塑料制成,固定栓7的外径与固定帽1的内径相匹配。金属条3可采用铜质、铝质或其它金属材质制成。压电片 9优选PMNT单晶材料,进一步优选取向为<001>或<110>,组成通式(l_x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3中的0. 20彡χ彡0. 40的PMNT单晶材料。金属帽10采用线切割或模具冲压的方法加工出来。在底座6上,将薄铜片3、安全垫片2、固定帽1和结构基元4整齐地粘结在合适的位置,用导线5将3条薄铜片连接起来;在盖板8上,将固定栓7和薄铜片3粘结在合适的位置,用导线5将3条薄铜片连接起来;将盖板8盖在底座6上,即获得了本发明所述的发电地板。实施例2本实施例与实施例1中相同的部分不再赘述,区别仅在于其压电片9为陶瓷材料,结构基元采用圆形,详见图7所示的底座结构示意图;结构基元4采用Moonie结构,如图8所示。由于本发明基于压电材料,尤其是基于高性能压电单晶材料制作的发电地板可对施加于其上的力学激励产生较大的电学输出,响应时间快,结构简单,制作方便,造价便宜, 可被广泛用于收集人踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶产生的机械能,并可将收集的机械能转换成电能用于传感器等器件的自助供电,因此,本发明提供的发电地板与传感器结合, 在医疗检测、射频识别、飞机桥梁检测及各种环境监测中具有广泛的应用前景。最后应当说明的是以上实施例仅是用来阐明本发明的设计思路及方案的目的, 而并非用作对本发明的限定,只要在本发明的实质范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的的保护范围内。
权利要求
1.一种基于压电材料的发电地板,包括底座和盖板,其特征在于所述底座上粘结有若干用作电极的金属条,每根金属条上等间距的设有若干结构基元;所述金属条之间通过导线相连接;所述底座上金属条之间的间隔处粘结有用于限制结构基元形变量的安全垫片;所述盖板上与底座的结构基元相接触的位置粘结有若干金属条,金属条之间通过导线相连接;所述结构基元由压电片和金属帽粘结而成;所述底座的四角粘结有固定帽,盖板的四角粘结有与固定帽相适配的固定栓。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述结构基元采用铙钹(Cymbal)结构或弯月(Moonie)结构。
3.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电片采用压电陶瓷材料或压电单晶材料或复合压电材料。
4.根据权利要求3所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电片为压电陶瓷材料时,结构基元采用圆形。
5.根据权利要求3所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电片为压电单晶材料时,结构基元采用矩形。
6.根据权利要求3所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电单晶材料为PMNT单晶材料。
7.根据权利要求6所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电单晶材料为PMNT单晶材料,取向为<001>或<110>。
8.根据权利要求6所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述压电单晶材料为P丽T单晶材料,组成通式为(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3,其中0. 20彡χ彡0. 40。
9.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述底座和盖板采用聚合物材料或木质材料。
10.根据权利要求9所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述聚合物材料是指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有机玻璃;所述木质材料是指胶木。
11.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述金属帽采用锰钢、不锈钢、钨钢、铍铜、磷青铜或紫铜。
12.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述安全垫片采用钢材制成。
13.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述的固定帽和固定栓采用金属或塑料制成,固定栓的外径与固定帽的内径相匹配。
14.根据权利要求1所述的基于压电材料的发电地板,其特征在于所述金属条采用铜或铝制成。
全文摘要
本发明公开了一种基于压电材料的发电地板,包括底座和盖板,所述底座上粘结有若干用作电极的金属条,每根金属条上等间距的设有若干结构基元;所述金属条之间通过导线相连接;所述底座上金属条之间的间隔处粘结有用于限制结构基元形变量的安全垫片;所述盖板上与底座的结构基元相接触的位置粘结有若干金属条,金属条之间通过导线相连接;所述结构基元由压电片和金属帽粘结而成;所述底座的四角粘结有固定帽,盖板的四角粘结有与固定帽相适配的固定栓。本发明的发电地板用于收集人踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶产生的机械能,并可将收集的机械能转换成电能用于传感器等器件的自助供电,且结构简单,制作方便,造价便宜,具有广泛的应用前景。
文档编号E04F15/02GK102409833SQ20111027960
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者任博, 徐海清, 李晓兵, 林迪, 梁柱, 狄文宁, 王东, 王升, 罗豪甦, 许春东, 赵祥永 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所

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