路用疊堆式壓電單元設(shè)計(jì)及性能分析

李琛琛，趙鴻鐸，馬魯寬，曾孟源，劉鵬飛

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201804；2.同濟(jì)大學(xué)民航飛行區(qū)設(shè)施耐久與運(yùn)行安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201804；3.亞琛工業(yè)大學(xué)道路工程研究所，德國(guó)亞琛，52074)

目前，道路基礎(chǔ)設(shè)施正朝向綠色化、數(shù)字化和智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-2]。以公用電網(wǎng)、化學(xué)電池為主的傳統(tǒng)供電方案，難以充分匹配新型道路系統(tǒng)中海量感知節(jié)點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)的能源需求[3]，因而，尋求新的道路基礎(chǔ)設(shè)施能源供應(yīng)方案成為新型道路系統(tǒng)發(fā)展的迫切要求。壓電材料可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛荷載作用下路面機(jī)械能的就地轉(zhuǎn)換與利用，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、能量密度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望為新型道路系統(tǒng)供能提供創(chuàng)新的解決方案[4]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研究者采用理論分析[5-6]、數(shù)值仿真[7-9]和室內(nèi)外試驗(yàn)[10-11]等方法，對(duì)路用壓電單元的材料、結(jié)構(gòu)及其效率提升方法進(jìn)行了深入研究。ZHAO 等[12-13]從換能效率和路面耦合性能角度對(duì)鈸式、橋式、拱式、多層式、懸臂式等壓電單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步針對(duì)鈸式和橋式等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。JASIM等[14-15]采用分層極化和電極優(yōu)化制備出了新型橋式單元，并采用多物理場(chǎng)模擬的方法，從壓電材料、結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)。曹陽(yáng)森等[16]則對(duì)夾層式壓電單元結(jié)構(gòu)的開(kāi)路電壓的變化規(guī)律開(kāi)展了敏感性分析。此外，YANG 等[17-18]對(duì)壓電雙晶懸臂梁優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用裝置-路面協(xié)同振動(dòng)和阻抗匹配等方法提升俘能效率。WANG等[19]提出了一種多層懸臂式壓電俘能結(jié)構(gòu)，并通過(guò)多層懸臂式結(jié)構(gòu)與路面協(xié)調(diào)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)俘能效率提升。雖然壓電單元的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化已有較大創(chuàng)新，但由于路面具有高應(yīng)力、低頻振動(dòng)、重復(fù)作用的典型工況，對(duì)壓電單元的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電學(xué)穩(wěn)定性提出了較高要求，部分結(jié)構(gòu)僅在理論分析和仿真階段而未推廣。疊堆式壓電單元因其抗壓強(qiáng)度高、抗疲勞性能好和制備工藝可控等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到關(guān)注。YANG 等[20-21]采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了疊堆式壓電單元在不同荷載特征和溫度下的電學(xué)響應(yīng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了疊堆式壓電裝置路用性能。WANG等[22-23]則以提升換能效率和結(jié)構(gòu)耐久性為目標(biāo)，對(duì)疊堆式壓電單元的材料、結(jié)構(gòu)和封裝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有研究推動(dòng)了路面壓電單元研發(fā)進(jìn)展，但路用壓電單元在成為新型道路基礎(chǔ)設(shè)施能源驅(qū)動(dòng)之前，存在機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低、結(jié)構(gòu)耐久性差、集成度和標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問(wèn)題亟待解決。

鑒于此，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制備了5種疊堆式壓電單元，并通過(guò)電學(xué)性能試驗(yàn)探究電極連接模式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、負(fù)載阻抗和荷載特征對(duì)堆疊式單元的能量輸出的影響；同時(shí)，采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)壓電單元在極限受壓和重復(fù)荷載條件下電學(xué)性能衰減規(guī)律開(kāi)展測(cè)試與評(píng)價(jià)。本文針對(duì)路用疊堆式壓電單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能評(píng)估，旨在為路用壓電單元的工程化應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)參考。

1 壓電材料機(jī)電轉(zhuǎn)換原理

壓電單元通過(guò)壓電材料的壓電效應(yīng)將車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生的路面機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，可采用下式所示的應(yīng)力、應(yīng)變等機(jī)械變量和電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移等電學(xué)變量的耦合關(guān)系描述其壓電本構(gòu)方程[24]：

式中：i和j取1～6；m和k分別為壓電單元軸向方向，Tj為應(yīng)力張量；為恒定電場(chǎng)強(qiáng)度下的柔度系數(shù)張量；Ek為外電場(chǎng)張量；Dm為電位移張量；dki和dmj均為壓電應(yīng)變常數(shù)張量；為恒定應(yīng)力狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)張量。

對(duì)于由多片壓電材料平行堆疊制備的壓電單元，其荷載和極化方向相同。在非諧振狀態(tài)下，根據(jù)線性壓電本構(gòu)方程，開(kāi)路條件下單片壓電材料在荷載F(t)激勵(lì)下產(chǎn)生的電荷Q為

式中：D為電位移；A為受力面積；d33為壓電應(yīng)變常數(shù)。

壓電單元的等效電容C和電阻R計(jì)算方法如下：

壓電單元的開(kāi)路電壓Uoc為

壓電單元基于正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電能W為

式中：為恒定應(yīng)力狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)；g33為壓電電壓常數(shù)；h為壓電陶瓷厚度；t為荷載激勵(lì)時(shí)間；w為荷載激勵(lì)頻率。

由式(5)和式(6)可知：壓電材料的開(kāi)路電壓與荷載、壓電電壓常數(shù)、厚度呈正相關(guān)，與電極呈面積負(fù)相關(guān)；電能與荷載的平方、機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和厚度呈正相關(guān)，與電極面積呈負(fù)相關(guān)。此外，基于阻抗匹配原理[23]，當(dāng)負(fù)載電阻與壓電陶瓷內(nèi)部電阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率。由此可知，針對(duì)壓電材料高阻抗、低電容、高電壓、低功率的電學(xué)特性，可以通過(guò)改變電學(xué)連接并優(yōu)化幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及阻抗匹配等方式提升壓電單元的換能效率[25]。

2 路用疊堆式壓電單元設(shè)計(jì)及制備

2.1 壓電材料選擇

機(jī)電轉(zhuǎn)換原理表明，提高壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和壓電常數(shù)能夠顯著提高壓電單元的能量轉(zhuǎn)換效率，因此，壓電材料的選擇成為壓電單元設(shè)計(jì)制備的基礎(chǔ)。壓電材料主要有壓電單晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物和復(fù)合壓電材料等[24]，其中，壓電陶瓷壓電性能好、工藝成熟且定制程度高，在微能量采集方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，在路面能量采集中，常用的壓電陶瓷類型有PZT-5H，PZT-5A，PZT-5X 和PZT-51 等。本文作者綜合考慮工作環(huán)境、壓電性能、結(jié)構(gòu)耐久性和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇PZT-5H壓電陶瓷來(lái)制作壓電單元，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 PZT-5H材料參數(shù)Table 1 Material parameters of PZT-5H

2.2 壓電單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電陶瓷具有抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低、易產(chǎn)生脆性破壞等特點(diǎn)，為提升壓電單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，本文將壓電陶瓷與金屬電極平行堆疊組成復(fù)合壓電單元結(jié)構(gòu)。基于文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)測(cè)試[20,22]，本文設(shè)計(jì)的疊堆式壓電單元由壓電陶瓷PZT-5H、銅箔電極、雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠、銅導(dǎo)線等組成，采用嘉康電子提供的電極黏結(jié)法制備工藝組裝[22]，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 疊堆式壓電單元制備工藝Fig.1 Preparation process of stacked piezoelectric units

實(shí)際上，壓電材料參數(shù)變異、層間黏結(jié)工藝、電極連接方式等均會(huì)顯著影響壓電單元的壓電性能和機(jī)械性能。鑒于此，本文設(shè)計(jì)并制備了5種疊堆式壓電單元結(jié)構(gòu)用于分析電學(xué)連接方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同負(fù)載阻抗以及荷載特征對(duì)壓電性能的影響。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，為方便下文開(kāi)展壓電性能對(duì)比分析，制定如下單元結(jié)構(gòu)命名規(guī)則：?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)(Ф20-4)×4S表示由4片直徑為20 mm、厚度為4 mm 的PZT-5H 圓片串聯(lián)組成；單元結(jié)構(gòu)[Ф(20-8)-4]×4P 表示由4 片外徑為20 mm、內(nèi)徑為8 mm、厚度為4 mm 的PZT-5H 圓環(huán)并聯(lián)組成。此外，為避免車(chē)輛沖擊作用損壞壓電單元，本文采取了在單元兩端粘貼相同橫截面的未極化陶瓷的方式，以降低單元結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)。

表2 路用疊堆式壓電單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of stacked piezoelectric units

3 路用疊堆式壓電單元壓電性能影響分析

本文采用MTS810力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、DPO2024數(shù)字示波器和GENTEK G3100 高壓探頭搭建壓電性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)如圖2所示?；谳S載調(diào)查[21]并考慮超載等不利條件，輪載取值區(qū)間為5.0～50.0 kN。壓電裝置一般包含4～16 個(gè)壓電單元陣列，則單個(gè)壓電單元承受荷載為0.5～3.0 kN。此外，路面結(jié)構(gòu)在輪載激勵(lì)下振動(dòng)頻率為5～15 Hz。最終，試驗(yàn)采用半波正弦載荷模擬車(chē)輛荷載，荷載幅值設(shè)置為0.5，1.0，2.0和3.0 kN，荷載頻率設(shè)置為5，10和15 Hz。

圖2 壓電性能測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Electrical and mechanical performance test platform

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

3.1.1 電極連接方式

理論分析表明，串聯(lián)式壓電單元的開(kāi)路電壓是并聯(lián)式壓電單元的n倍，且在各自匹配阻抗下達(dá)到最大輸出功率。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Ф20-4)×4S、(Ф20-4)×4P這2種單元結(jié)構(gòu)，研究串聯(lián)和并聯(lián)連接方式下開(kāi)路電壓變化規(guī)律。其中并聯(lián)式壓電單元采用“正極接正極、負(fù)極接負(fù)極”的電極連接方式，串聯(lián)式壓電單元采用“正極接負(fù)極、負(fù)極接正極”的電極連接方式[23]。實(shí)測(cè)的10 Hz荷載頻率下不同荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓峰值如圖3所示。由圖3可知：串聯(lián)式單元的開(kāi)路電壓約為并聯(lián)式開(kāi)路電壓的3.5倍，其值隨荷載增大幅度約為272 V/kN，表現(xiàn)出更高的電壓波動(dòng)性，不利于后續(xù)接口電路能量轉(zhuǎn)換；而并聯(lián)式單元能夠有效降低壓電單元開(kāi)路電壓，獲得穩(wěn)定的電能輸出。因此，本文在后續(xù)研究中選擇壓電性能更好的并聯(lián)式壓電單元結(jié)構(gòu)。

圖3 串聯(lián)和并聯(lián)連接方式下的開(kāi)路電壓峰值Fig.3 Open-circuit voltage peak of units with parallelconnected mode and series-connected mode

3.1.2 壓電單元截面面積

截面面積會(huì)影響壓電單元的力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致其電學(xué)性能變化。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Ф20-4)×4P、[Ф(20-8)-4]×4P 這2 種不同截面面積的壓電單元結(jié)構(gòu)，研究截面面積對(duì)開(kāi)路電壓的影響。實(shí)測(cè)的10 Hz荷載頻率下不同荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓峰值如圖4所示。由圖4可知：圓片和圓環(huán)結(jié)構(gòu)均具有較好的壓電輸出特性；相比而言，在相同荷載工況下，圓片式單元的開(kāi)路電壓為圓環(huán)式的1.3～1.4 倍。此外，通過(guò)比較2 種壓電單元結(jié)構(gòu)的開(kāi)路電壓實(shí)測(cè)值與理論值(由式(5)計(jì)算)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與理論值均存在較大偏差，可能的原因是圓環(huán)式單元豎向應(yīng)力傳遞不充分導(dǎo)致其開(kāi)路電壓實(shí)測(cè)值偏小[18]。因此，本文后續(xù)研究中選擇機(jī)電轉(zhuǎn)換性能更好的圓片式壓電單元結(jié)構(gòu)。

圖4 不同截面面積下壓電單元開(kāi)路電壓峰值Fig.4 Open-circuit voltage peak of units with different cross sections

3.1.3 壓電單元厚度與層數(shù)

在相同材料參數(shù)和荷載條件下，式(5)表明壓電單元的開(kāi)路電壓與壓電圓片厚度呈正相關(guān)，與堆疊層數(shù)無(wú)直接關(guān)系。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Ф20-4)×4P，(Ф20-2)×4P和(Ф20-2)×8P這3種單元結(jié)構(gòu)研究開(kāi)路電壓隨壓電圓片厚度和堆疊層數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)測(cè)的10 Hz荷載頻率下不同荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓的峰值如圖5所示。由圖5可知：在荷載和壓電圓片厚度相同的條件下，壓電單元實(shí)測(cè)開(kāi)路電壓未隨并聯(lián)片數(shù)增加而變化，且2種結(jié)構(gòu)的電壓增幅約為30 V/kN，這表明制備的壓電疊堆表現(xiàn)出較好的層間應(yīng)力傳遞效果。在相同荷載條件下，4 mm厚壓電圓片陣列的開(kāi)路電壓約為2 mm厚陣列的2.5倍。這表明在總厚度一定的情況下，壓電單元堆疊片數(shù)的增加能夠顯著降低內(nèi)阻、增加電容和改善單元壓電性能[25]，但同時(shí)會(huì)增加壓電單元的生產(chǎn)成本和工藝難度。因此，在滿足壓電單元輸出功率和電壓的前提下，應(yīng)控制壓電單元堆疊層數(shù)和厚度。

圖5 不同厚度與層數(shù)下壓電單元開(kāi)路電壓峰值Fig.5 Open-circuit voltage peak of units with different thicknesses and layers

3.2 負(fù)載阻值影響分析

壓電單元采集的電能經(jīng)過(guò)能量接口電路穩(wěn)壓、整流、存儲(chǔ)后，能夠?yàn)榈凸膫鞲衅鞴┠??；谧畲蠊β蕚鬏敹ɡ?，?dāng)外接電路阻抗和壓電單元內(nèi)阻相等時(shí)可獲得最大能量輸出。因此，本文通過(guò)壓電單元阻抗匹配測(cè)試對(duì)不同負(fù)載阻值下電壓和輸出功率的變化規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Ф20-4)×4P 壓電單元結(jié)構(gòu)，荷載幅值和頻率分別設(shè)置為2.0 kN和10 Hz。將高量程電位器與壓電單元串聯(lián)，采用數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)其端值電壓，并通過(guò)對(duì)電壓波形積分計(jì)算壓電單元的輸出功率，實(shí)測(cè)的壓電單元能量輸出隨負(fù)載電阻變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 壓電單元能量輸出隨負(fù)載電阻變化關(guān)系Fig.6 Energy output of stacked piezoelectric units under different impedances

由圖6可知：壓電單元負(fù)載電阻的電壓峰值隨阻值增加先增加后趨于穩(wěn)定，其變化趨勢(shì)可劃分為3 階段：1)前期，負(fù)載阻值為0～1.1 MΩ，峰值電壓隨阻值增大而快速增大；2)中期，負(fù)載阻值為1.1～2.5 MΩ，峰值電壓隨電阻緩慢增大；3)后期，負(fù)載阻值為2.5～10.0 MΩ，峰值電壓在145 V左右波動(dòng)，電路呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)。

圖6還表明，壓電單元的輸出功率隨負(fù)載電阻的阻值增加先增加后減小，呈現(xiàn)出與理論趨勢(shì)一致的單峰特征，其變化趨勢(shì)也可以劃分為3 階段：1)前期，負(fù)載阻值為0～0.9 MΩ，輸出功率隨著阻值增大而增大，最大輸出功率為11.0 mW；2)中期，負(fù)載阻值為0.9～2.5 MΩ，輸出功率隨阻值增大而快速減??；3)后期，負(fù)載阻值為2.5～10.0 MΩ，輸出功率隨負(fù)載組織增加而減小，且近似為反比例關(guān)系。綜合電壓和功率變化規(guī)律可知：在0.7～1.3 MΩ 范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的疊堆式壓電單元可獲得10.0 mW 以上的輸出功率，具備優(yōu)異的壓電性能。

3.3 荷載特征影響分析

本文采用MTS810力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)模擬不同車(chē)輛荷載和速度作用下單元的壓電輸出特性。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Ф20-4)×4P 壓電單元結(jié)構(gòu)，并將荷載幅值設(shè)置為0.5，1.0，2.0 和3.0 kN，荷載頻率設(shè)置為5，10 和15 Hz。壓電單元在不同荷載幅值和荷載頻率條件下實(shí)測(cè)開(kāi)路電壓峰值分別如圖7和圖8所示。

圖7 荷載幅值對(duì)開(kāi)路電壓峰值的影響Fig.7 Effect of load amplitude on open-circuit voltage peak

圖8 荷載頻率對(duì)開(kāi)路電壓峰值的影響Fig.8 Effect of load frequency on open-circuit voltage peak

3.3.1 荷載幅值

由圖7可知：相同荷載頻率下開(kāi)路電壓峰值隨荷載幅值的增大而增大，兩者較好的線性相關(guān)性與理論分析結(jié)果一致；在荷載幅值從0.5，1.0，2.0和3.0 kN 逐級(jí)增加過(guò)程中，壓電單元開(kāi)路電壓峰值分別變?yōu)樵瓉?lái)的1.8 倍左右、1.9 倍左右及1.6 倍左右，電壓增幅隨荷載水平增大而增大；壓電單元在荷載幅值和頻率分別為3.0 kN 和5 Hz 的工況下，開(kāi)路電壓峰值達(dá)到240 V。這表明，隨荷載水平的增加，銅箔電極和環(huán)氧樹(shù)脂黏接層壓縮量增大，壓電單元層間應(yīng)力傳遞效果提升；在路面高應(yīng)力工況下，本文設(shè)計(jì)的壓電單元能表現(xiàn)出更好的壓電性能。

3.3.2 荷載頻率

由圖8可知：在相同荷載幅值下，開(kāi)路電壓峰值隨加載頻率增大而小幅度衰減；當(dāng)荷載幅值分別為0.5，1.0，2.0 和3.0 kN 時(shí)，開(kāi)路電壓分別衰減10.9%，19.0%，20.7%和8.3%。這表明壓電結(jié)構(gòu)在低頻荷載工況下形變更充分，表現(xiàn)出更好的壓電性能。結(jié)合前面的荷載幅值影響分析，可知本文制備的疊堆式壓電單元在重載、低速車(chē)輛行駛路段能夠獲得更好的電學(xué)性能。

4 路用疊堆式壓電單元壓電性能衰減分析

壓電單元在高應(yīng)力、低頻振動(dòng)、循環(huán)作用的路面工況下工作，良好的電學(xué)穩(wěn)定性和耐久性是其高效率能量采集的關(guān)鍵。為準(zhǔn)確評(píng)估壓電單元的電學(xué)性能衰減規(guī)律，本文采用MTS 810 力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)字示波器搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)壓電單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及在極限受壓和重復(fù)荷載作用下的壓電性能衰變規(guī)律進(jìn)行測(cè)試。

4.1 極限受壓下壓電性能衰減分析

考慮埋入式壓電裝置承受超載和偏載等不利條件，壓電單元可能承受50 kN極限荷載作用。試驗(yàn)測(cè)試選擇(Φ20-4)×4P壓電單元結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，設(shè)置幅值為0～50 kN、頻率為10 Hz 和增速為0.5 kN/s的半波正弦荷載進(jìn)行加載。采用力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的壓電單元荷載-位移曲線如圖9(a)所示。采用數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)的壓電單元在極限受壓下的電學(xué)性能衰變規(guī)律如圖9(b)所示。

圖9 壓電單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和極限受壓后電學(xué)特性Fig.9 Structural strength test and electrical characteristic after tests of piezoelectric units

由圖9可知：壓電單元在50 kN 極限荷載下未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，可以承受159.2 MPa抗壓強(qiáng)度，遠(yuǎn)超其在路面內(nèi)部可能承受的極限應(yīng)力。由圖9可知：壓電單元的荷載-位移曲線首先呈現(xiàn)斜率隨位移增大逐漸增大的非線性變化特征；當(dāng)荷載超過(guò)20 kN 時(shí)，荷載-位移曲線呈現(xiàn)近似線性增大的特征；在非線性階段，銅箔電極和環(huán)氧樹(shù)脂黏接層與壓電陶瓷剛度差異導(dǎo)致初期不協(xié)調(diào)變形；在近似線性階段，壓電單元的不協(xié)調(diào)變形減小并產(chǎn)生彈性變形；在3.0 kN和10 Hz荷載條件下，開(kāi)路電壓從224 V 衰減至104 V，壓電單元的壓電性能出現(xiàn)顯著衰減，這是由于壓電單元在高應(yīng)力下，電偶極子的有序取向破壞而導(dǎo)致極化強(qiáng)度下降和壓電材料機(jī)械老化。因此，需要通過(guò)單元組陣、封裝結(jié)構(gòu)和裝置布設(shè)優(yōu)化等方式調(diào)節(jié)壓電單元受力以降低壓電單元性能衰減風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 重復(fù)荷載下壓電性能衰減分析

試驗(yàn)測(cè)試選擇(Φ20-4)×4P 壓電單元結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，選擇荷載幅值5 kN和頻率10 Hz的半波正弦荷載進(jìn)行10 萬(wàn)次豎向加載。采用數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)壓電單元每萬(wàn)次開(kāi)路電壓，繪制如圖10所示的開(kāi)路電壓峰值-加載次數(shù)曲線。由圖10可知：壓電單元在10 萬(wàn)次加載階段內(nèi)，開(kāi)路電壓存在輕微波動(dòng)但未出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，開(kāi)路電壓基本維持在350～360 V。試驗(yàn)結(jié)果表明：制備的壓電單元具有較好的工作性能，能夠滿足重復(fù)車(chē)輛荷載碾壓工況。但由于室內(nèi)荷載工況單一且作用次數(shù)較少，仍需在開(kāi)放交通條件下進(jìn)一步測(cè)試壓電單元的電學(xué)性能，以更準(zhǔn)確地評(píng)估其性能衰減規(guī)律。

圖10 壓電單元抗疲勞性能測(cè)試Fig.10 Fatigue resistance performance tests of piezoelectric units

5 結(jié)論

1)并聯(lián)式壓電單元能夠獲得更穩(wěn)定的電壓輸出，從而降低接口電路能量轉(zhuǎn)換難度；相同外徑下的圓片式單元比圓環(huán)式具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，壓電單元的開(kāi)路電壓與堆疊片數(shù)無(wú)關(guān)但與壓電圓片厚度正相關(guān)，但需考慮生產(chǎn)成本和工藝難度選擇合適的壓電單元片數(shù)和厚度。

2)負(fù)載電阻的電壓峰值和輸出功率隨阻值變化均呈現(xiàn)以下變化特征；電壓峰值隨阻值先增大后平穩(wěn)，功率則隨阻值先增大后減小。壓電單元的輸出功率具備的單峰特征可用于確定能量輸出效率最高的阻抗匹配區(qū)間。

3)壓電單元的開(kāi)路電壓隨著荷載幅值增大而增大，兩者具有線性相關(guān)性，而開(kāi)路電壓隨荷載頻率增加而小幅減小。因此，本文設(shè)計(jì)并制備的疊堆式壓電單元在重載、低速車(chē)輛行駛路段能夠獲得更好的電學(xué)性能。

4)壓電單元能夠承受路面內(nèi)部極限應(yīng)力狀態(tài)，但仍需優(yōu)化單元受力，降低其壓電性能衰退風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)并制備的疊堆式壓電單元結(jié)構(gòu)能夠滿足高應(yīng)力、多軸載作用的路用要求。