压电材料的应用领域

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压电材料在路面上的应用

作者：黄磊 李挠 赵辉 刘楠

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第30期

【摘要】压电材料已在很多领域得到广泛应用，但在道路工程领域却鲜有涉及，考虑到路面每天都要经受汽车的重复荷载作用，其产生的能量是不可估量的，若能用来发电，必然能产生很好的经济与环保效益，为此，文章从机电转换理论，压电材料、压电换能器选用到其在路面内的布设都进行了分析研究。

【关键词】压电效应，压电材料，换能器，布设

1 绪论

目前，诸如煤、石油等常规能源的短缺已经成为制约我国经济发展的重要因素，因此，开发利用新能源就显得愈发重要。从能量角度考虑，物体的变形和振动都会产生能量，在道路工程中，沥青混凝土路面在行车荷载作用下会产生变形及振动等广义位移。在路面的设计使用期内，路面会经受反复的行车荷载作用，而每次荷载作用都会使路面产生应变能及动能。据估计，一辆6轮货车通过沥青路面一次，可以产生约1J的机械能[1]。事实上，这部分能量最终会变成路面的热能消耗在路面中，并增加路面损坏的风险，而收集这部分能量之后，则可以减缓对路面的损坏。利用压电效应把机械能转换为电能，其核心是在不影响车子（包括汽车和火车）正常行驶的情况下将运动着的车子的动能转化为电能的道路发电形式，并且发电材料的发现为在沥青路面内收集能量提供了可能性。

2 压电转换基本理论

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，其值的大小与应力的大小成正比，其符号取决于应力的方向。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，其应变值的大小与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向。电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

压电材料有哪些种类

压电材料是一类特殊的功能材料，具有压电效应，即在外加电场的作用下产生机械形变，或者在外加力的作用下产生电荷。压电材料广泛应用于传感器、换能器、声波滤波器、压电陶瓷谐振器等领域。根据其结构和性能的不同，压电材料可以分为多种类型。

首先，压电陶瓷是一种常见的压电材料，具有优良的压电性能和机械性能。压电陶瓷可分为硬质和软质两种类型。硬质压电陶瓷具有高的压电常数和机械强度，适用于高频压电换能器和滤波器等领域；而软质压电陶瓷具有高的电机械耦合系数和良好的压电性能，适用于压电传感器和换能器等领域。

其次，压电聚合物是近年来发展起来的一种新型压电材料，具有轻质、柔韧、易加工成型的特点。压电聚合物可以通过拉伸、压缩或弯曲等方式产生电荷，广泛应用于生物医学、柔性传感器、柔性能量收集器等领域。

此外，压电复合材料是由压电陶瓷与聚合物基体复合而成的一种新型材料，具有较好的压电性能和机械性能。压电复合材料兼具了压电陶瓷和聚合物的优点，适用于柔性传感器、能量收集器、智能结构等领域。

最后，压电单晶是一种高端的压电材料，具有优异的压电性能和温度稳定性。压电单晶广泛应用于高频压电换能器、声波传感器、微机电系统等领域。

综上所述，压电材料种类繁多，包括压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料和压电单晶等。不同种类的压电材料具有各自独特的特点和应用领域，为现代科技的发展提供了重要支撑。在未来，随着新材料技术的不断发展，压电材料将会有更广泛的应用前景。

压电陶瓷片有哪些应用？

压电陶瓷片是一种具有压电效应的陶瓷材料，当施加机械压力或电场时，可以产生电荷分离和电势差。由于其特殊的性质，压电陶瓷片在许多领域有广泛的应用。以下是一些常见的应用领域：

1. 声学设备：压电陶瓷片可以用于声学传感器和扬声器，用于声波的发射、接收和转换，如超声波传感器、麦克风、声纳等。

2. 振动和运动控制：压电陶瓷片可以将电能转换为机械振动能量，用于振动传感器、振动马达、精密定位装置和精密控制系统。

3. 气体点火器：压电陶瓷片可以产生高电压放电，用于点燃燃气、液化石油气等燃料，如燃气灶、燃气热水器等。

4. 压力传感器：压电陶瓷片可以将压力转换为电信号，用于测量和监测压力变化，如压力传感器、压力开关等。

5. 温度补偿器：压电陶瓷片的电性质随温度变化较小，可以用于温度补偿器，用于精确测量和控制温度。

6. 超声波清洗和焊接：压电陶瓷片可以产生高频超声波振动，用于清洗和焊接应用，如超声波清洗机、超声波焊接机等。

7. 医疗设备：压电陶瓷片可以用于医疗设备，如超声波成像、超声波治疗、超声波刀等。

此外，压电陶瓷片还在其他领域有一些应用，如流量计、压力控制器、电子锁、电子烟、汽车喇叭等。由于其高效、可靠和精确的性能，压电陶瓷片在现代科技中扮演着重要的角色。

压电材料在能源收集与存储领域的应用研究

1. 引言

能源收集与存储问题在当代社会中备受关注，寻找可持续且高效的能源收集和储存方式已成为重要的研究方向。压电材料作为一种具有独特性能的功能材料，在能源领域中展示出巨大的应用潜力。本文将重点探讨压电材料在能源收集与储存领域的应用研究。

2. 压电材料的基本原理

压电效应是一种体积效应，即在施加压力或应变时，产生电荷偏移的现象。这种效应可以由压电材料表现出来，其中包括压电陶瓷、聚合物和复合材料等。在受到外力刺激时，压电材料内部的极性分子会发生形变，从而引发电荷的分离。这种电荷分离过程可通过采集电荷来收集能量，或者通过施加电场来储存电荷。

3. 压电材料在能源收集中的应用 压电材料在能源收集领域中具有广泛的应用，例如：

3.1 压电发电器

压电发电器能将机械能转化为电能，通过机械压力或振动产生电荷。这种技术可广泛应用于环境能量的收集，如步行或运动中的压力、汽车行驶中的震动等。压电发电器可用于供电感应器、移动设备充电，以及低功率电子器件的供电等。

3.2 压电传感器

压电材料的压电效应使其具备了敏感感应机械变形的能力。因此，它们常用于压力、力量和振动等参数的传感器。通过将压电材料制成传感器，可以将机械信号转化为电信号，实现对外界力的测量与分析。这种技术在能源收集中的应用广泛，例如使用压电材料传感器收集水流压力产生的能量。

4. 压电材料在能源存储中的应用

4.1 压电储能器 压电材料可以作为储能器件，用于存储电荷并在需要时释放。通过施加电场，压电材料可将电荷储存起来，形成能够供电的系统。在能源储存中，压电储能器被广泛应用于无线传感器网络、电路保护以及电力管理系统中。

4.2 压电储能装置的创新应用

近年来，根据压电效应的特性，研究人员也在压电材料上探索新的能源存储方式。例如，使用压电材料嵌入到电容器中，将电荷存储在压电材料的背景极化中，以实现高密度的储能。