道路用水泥基压电发电制品的制备与理论研究

针对低碳经济的发展理念，应用压电陶瓷材料的压电效应，通过重点解决如下关键科学问题，研究一种能够将行驶车辆所施加给路面的荷载转换为电能的水泥基压电发电制品，并揭示内在机理、发展相关理论。①研究压电陶瓷粉体制备方法、压电陶瓷纤维坯体的挤压和烧成工艺，确定高性能压电陶瓷纤维的制备方法；②综合分析应用不同工艺制备的压电陶瓷的显微结构、力学性能和压电性能，建立压电陶瓷纤维的制备与烧成理论；③研究高性能水泥基复合材料的配合比、压电发电制品的浇筑方法与电极披覆方法，建立压电发电制品的制备工艺；④研究水泥基体的强度与弹性模量以及压电纤维的体积含量、长径比、截面形状等因素对水泥基压电发电材料的力电转换效率的影响规律，建立水泥基压电发电材料的力电耦合模型和压电发电制品的设计理论；⑤研究疲劳荷载作用下，水泥基压电发电材料的显微结构、力学性能与力电转换效率的蜕变过程，建立水泥基压电材料的损伤机理，并提出改善措施。

复合有压电陶瓷的水泥基压电复合材料，可以将环境中的机械能转换为电能。利用这一特性，可以将水泥基压电复合材料制成路面制品，将行驶车辆所施加给路面的荷载转换为可以工业化使用的电能，还可以将水泥基压电复合材料制成传感器，用于土木结构健康监测。基于这一背景，本项目开展了如下几个方面的研究工作，在压电陶瓷纤维制备工艺和理论方面，研究了塑性聚合物法制备PZT-51压电纤维的基本工艺，确定了原材料的配比，纤维挤制工艺、烧成制度和泥料中的有机物含量对PZT-51压电纤维结构和性能的影响；采用溶胶-粉末法制备了PZT-51压电纤维，研究了PZT溶胶与PZT-51预烧粉的摩尔比、PZT溶胶中的加酸量和加水量、纤维直径等对纤维性能的影响；在压电纤维与水泥基体复合方法方面，制备了0-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51陶瓷颗粒粒度、颗粒级配、颗粒形状等对0-3型水泥基压电复合材料压电性、介电性和机电耦合性能的影响；制备了1-3型水泥基压电复合材料，研究了PZT-51压电纤维体积含量对1-3型水泥基复合材料压电性、介电性及机电耦合性能的影响；提出了0-3-1型水泥基压电复合材料的概念,并制备0-3-1型水泥基压电复合材料，对比了其与0-3型水泥基压电复合材料性能的差别。在高性能水泥基复合材料方面，制备了抗折强度为21MPa、抗压强度为120MPa的活性粉末混凝土。此外，本项目还应用Simplorer软件分析了水泥基压电复合材料的能量收集效果；研究了压电堆的集能理论以及压电聚合物的制备方法，发现了掺杂碳纳米管可以提高压电复合薄膜的压电性能，并探讨了其机理。