壓電技術在智能道路中應用研究現狀

高莉寧,丁思晴,佘江江,張佳,何銳*

(1.長安大學材料科學與工程學院,西安 710065; 2.堯柏特種水泥技術研發有限公司,西安 710100)

《交通領域科技創新中長期發展規劃綱要(2021—2035年)》的發布加速了交通運輸與科技創新的滲透融合,數字化、智能化發展已成為當前交通基礎設施建設的重要方向[1]。智能路面由特定的結構材料、感知網絡、信息中心、通信網絡和能源系統組成[2],能夠主動感知路面狀態、性能和外部環境等,分析評估所收集的信息和道路健康,結合路面自身狀態進行自調控和自修復等自主行為,與車輛、行人、設施、環境及社會等進行動態自主交互,收集廢棄能量進行二次使用。因此智能道路的發展及應用將有助于充分發揮道路自身潛力,成為智能化交通基礎設施建成的關鍵。

在智能化道路的建設中,壓電技術因其自身優良的性能實現了能量收集、數據分析、自修復和道路監測等行為,成為全面建設智能道路的重要技術途徑。19世紀80年代,居里兄弟通過對石英晶體特定方向上施加力,引出了正逆壓電效應,壓電技術的研究正式開始[3]。美國和日本是最先進行壓電元件應用研發的國家,包括利用BaTiO三型壓電傳感陶瓷制造了超聲換能器、音頻換能器、壓力傳感器等計測元件以及濾波器和諧振器等[4-5]。1950年美國又發現鋯鈦酸鉛的壓電特性更為突出,促進了壓電傳感器材料的研究進展,產生了新的發展方向[6]。1992年,美國首次開發了智能高速公路系統,該系統主要由嵌入式路面邊緣檢測裝置和路段傳感器實現[7]。2006—2009年,日本在東京火車站完成了三次發電地板測試,當旅客進入到自動檢票口時其踩踏地板可以讓100 W的燈管發亮0.1 s[8]。2008年,以色列的Innowattech公司最先研制成功了基于壓電技術的路面發電系統成果,壓電單元能在同一條雙向車道上產生約0.5 MW/(km·h)的電能,其生產成本較太陽能系統降低 2～3倍,且投入回收期相比太陽能系統最大限度可從30年降至6年[9]。壓電發電技術的應用不但減少了汽車油耗,同時還利用收集振動能使負載對道路的破壞和噪聲對周圍環境的危害降低。2018年,美國Integrated Roadways公司與科羅拉多州交通部(Colorado Department of Transportation,CDOT)合作試行其研發的Smart Pavement系統[10],該系統通過耐久預制混凝土板、高分辨率光纖傳感器等路面信息集成的關鍵技術,提供了實時道路交通數據收集和交通事故自動報警等功能,以完成從普通道路向智慧交通的過渡。Wang等[11]對壓電式能量采集器在機場路面上的應用進行了研究分析,討論了位置、厚度、飛機輪和飛機載荷對能量模塊的影響。飛機輪胎載荷分別從154 kN增加到172 kN和 185 kN 時,輸出功率增加了約24%和42%。Cao等[12]提出了全壓概念并設計了新型壓電換能器,研究表明,壓電輸出量與負載呈顯著的線性關系,新型壓電換能器應用于路面結構后具有良好的電響應,可實現承載板載荷充分作用于壓電材料,經過50萬次重復負載后,壓電換能器的輸出仍然保持穩定。

綜上,可以看出,壓電技術是智能道路發展的核心技術,但目前對其在道路中的應用還不系統,僅僅只集中在特定的智能路面功能上,例如,能量收集、道路健康監測和傳感單元等。因此現對其在道路中的應用進行系統論述,提出目前存在的問題以及方法和建議,為智能道路的研究和應用提供參考。

1 道路壓電能量采集技術

1.1 壓電換能器

壓電換能結構通常是很小的壓電發電單位,相當于一種小型化開關電源。壓電換能器不但在結構上不盡相同,電能轉化效果上差異也很大,Kim等[13]利用兩個金屬蓋在壓電材料兩邊做成了一個鈸型結構,這種構件在受力時可把部分豎向作用力轉化為側向作用力,使壓電材料的壓電效果更佳。王青萍等[14]將多塊壓電片疊在一起做成堆疊構造,兩片之間放置有絕緣材料,多片串聯工作,深入研究了其特點。Platt等[15]研究發現,疊式構造比相同厚度的單片壓電膜片所產生電能還要大,將多塊壓電傳感片串聯的方法可以使壓電換能器的輸出電壓有所增加。懸臂梁構造則是最先獲得廣泛應用,并且是發展最為完善的壓電換能器。Wasa等[16]運用懸臂梁的振動將機械能轉化為電能。Saadon等[17]則研發了壓電懸臂梁結構,其構造簡單、易于制造,可通過在柱末端安裝一質量塊以減小懸臂柱的自振頻率,使自振頻率更接近周圍生活環境中的振動頻率,從而增加發電效能。

道路上使用的壓電換能器必須滿足路面承載要求及安全駕駛性,要求其具有一定的抗壓性和抗沖擊性,同時須滿足變形小的特點。能應用于瀝青或水泥路面能量采集的壓電換能器主要有:層疊式、拱形式、橋式、鈸式、纖維板、月牙式壓電換能器等。Zhao等[18]對這幾種類型的壓電換能器的機電耦合系數k、最大能量傳輸系數λmax、儲電量UE和剛度進行了對比分析,如表1所示。

表1 壓電換能器的比較結果[18]

層疊式換能器剛度很高,但其儲電量很小,僅為0.03 mJ,適用于水泥混凝土等高模量環境,拱形式換能器的儲電量最大,達到43.38 mJ,比其他類型的換能器儲能效率高出40倍以上,橋式和鈸式無論是從儲能還是剛度方面來看,都比較適中。因此可以將其應用在瀝青路面上,但需對其結構進行優化,以更好地適應瀝青路面,對于纖維板和月牙式換能器來說,剛度和儲能效率都很低,尤其是纖維板,不適合用作能量收集器件。

影響壓電換能器能量輸出的主要因素有軸重、加載速度、路面溫度、路面類型、循環次數等,其中路面溫度對壓電換能器的能量輸出具有重要影響,溫度升高對換能器的能量轉換既有正面影響,也有負面影響,但在使用過程中正面影響占主導地位。所有可用作路面能量收集的換能器都在封裝和應用方面還存在問題,一些包裝在設計時部分承載力由壓電材料承擔,剩余承載力由底座邊緣承擔,削弱了壓電換能器的能量轉換潛力。因此,壓電換能器在路面結構中如何高效應用仍需進一步研究。

1.2 壓電能量收集系統在道路中的應用

公路在中國經濟和交通運輸行業中具有非常重要的作用,但傳統的公路建設已無法滿足節能減排、環境友好、可持續發展等要求,能源供應是目前面臨的一個重大問題。有研究者提出可將廢棄的能量收集起來應用于道路上,實現綠色可持續發展。自然界中的能量主要有太陽能、風能、熱能、機械能等,但對于道路能量采集來說,這些能量由于實用性受限、成本較高、選址要求嚴格等不適于大量推廣,機械能在日常生活中應用較多,但當機械振動停止時,輸出能量為零。通過使用壓電材料從道路結構中收集可再生能源成為研究的熱點[19-20]。壓電材料能夠將機械能轉換為電能,若將合適的壓電材料埋入路面結構當中,則外力所產生的部分機械能可轉化為電能[21],如圖1所示。將智能控制能量采集電路,壓電能量收集電路與合適的儲能單元相連接,即可形成完備的能量收集系統。楊海露[22]對常見壓電能量收集電路進行了分析總結,如表2所示。

圖1 壓電效應示意圖[21]

表2 能量收集電路對比[22]

以往的研究中主要涉及兩種壓電能量收集方法:第一種是將路面材料與壓電材料相結合得到瀝青基壓電復合材料或水泥基壓電復合材料,使得路面施工比較便利且可以利用有限的道路區域進行能量收集,但因為其極化困難、路面隔熱等問題在實際應用中較少;第二種是將壓電材料封裝在壓電換能器中,壓電換能器埋入路面結構中作為分布式能量收集的轉換樞紐,該方法能量轉換效率高、可操作性強,成為主要收集方法。道路能量收集系統是指通過運用正壓電效應的基本原理,將固定幾何形態的壓電材料采用特定的加工方法串聯形成一種壓電單體,將各個壓電單體采用相應的密封工藝組成壓電換能器,并將該換能器放置在道路上,將汽車行駛過程中對道路所作的功轉變成能量,并采用適當的連接電路實現能量收集和儲存。

目前主要使用的壓電材料是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)。Park等[23]設計了一種壓電復合板來融化道路上的冰,結果表明,壓電復合材料收集的能量可以在2.5 h內將冰雪覆蓋的人行道溫度提高20 ℃。Xiong等[24]利用鋯鈦酸鉛材料構建了用于LED(light emitting diode)交通燈的壓電微功率發電器。Khamil等[25]提出了一種熱電能量收集系統(thermoelectric energy harvesting system,TEH),該系統通過在地下埋設不同形狀的換能器收集瀝青路面上的熱量。結果表明,圓柱桿狀換能器比扁桿狀換能器對熱量的收集效率更高。Tahami等[26]提出了一種埋設于人行道中的熱電發電機的能量收集系統,從路基土壤和路表的溫差中獲取熱能。Song等[27]提出了一種可以固定在人行道上的路面砌塊壓電能量采集器(piezoelectric energy harvester for pavement blocks,PBPEH);基于路面砌塊壓電能量采集器,還開發了一種物聯網(internet of things,IoT)系統,該系統不僅能為人行道信號指示器供電,還可以將PBPEH收集的能量轉換為人行道附近的環境數據。結果表明,所采用的IoT系統能有效地為人行道指示器和無線傳感器網絡供電。

中國針對路面能量采集方面也開展了不少研究[28]。Yang等[29]在實驗路段對壓電能量采集器進行性能評估,獲得了250 V以上的開路峰值電壓,如圖2所示,并成功點亮LED燈牌,車速越快,LED燈泡點亮的持續時間越短。此外,LED亮度受車速和車輪負載的影響,隨著速度和負載的提高,LED將變亮。Wang等[30]設計了一種道路兼容壓電能量收集器(road-compatible piezoelectric energy harvester,RPEH),可以應用于大規模停電事故下的隧道LED燈應急系統,還可以解決偏遠山區夜間行駛時道路LED燈的供電問題。宋健[31]采用壓電陶瓷工藝技術,對收集車輛振動電能開展了深入研究,結果表明不同的路面級別、外接載荷和外部激勵頻率均會對壓電振子的壓電特征產生影響,因此通過車輛振動電能收集能量,可有效增加汽車的續航能力,減少充電周期。陳曉林等[32]從壓電發電基本原理著手,根據道路負荷和環境特征,采用了有限元仿真和室內實驗的分析方法,設計和研制了壓電式道路振動能量收集器。在仿真環境與實際踩踏兩種方式的載荷作用下,通過能量收集器的輸出特性和效能為基于壓電效應的能量采集技術在現實生活中的有效運用奠定了堅實基礎。Wang等[33]基于環境適用性設計了一種內部具有阻隔結構的新型壓電能量收集裝置,并從多角度對其交通環境適用性和能量輸出效果進行了評價,促進了壓電能量收集技術在道路工程中的應用。張宇軒等[34]提出了一種新型組合螺旋壓電能量收集器,不僅可以降低諧振頻率,同時還可對多方向的能量進行收集,增大能量收集器的轉換效率和輸出性能。

圖2 不同速度下方形和圓形壓電換能器的開路峰值電壓[29]

路面壓電傳感能源采集技術將通過道路荷載做功而產生的廢棄能量加以采集使用,是一項新興的綠色能源技術。但目前還存在以下難題使其未能在道路路面領域展開大面積使用:重載交通下對壓電材料的各項性能、結構類型及封裝設計等都存在很高的要求;晝夜、全年和不同區域的溫差對壓電收集系統的影響;載荷及速度大小對壓電發電裝置輸出電壓的影響;能量收集效率提高的同時降低投入成本等,都對路面施工及壓電元件提出了新要求。從道路長期發展視角考慮,路面的壓電能量采集技術將能夠高效采集道路振動機械能,從而節省施工成本,符合綠色交通發展要求,具有廣闊的應用前景。

2 智能壓電混凝土結構健康監測及交通監測技術

2.1 壓電混凝土道路交通風險監測技術

隨著經濟的迅速發展,汽車保有量不斷增多,因車輛超載導致的交通事故頻發,在循環荷載作用下造成路面破壞,致使交通發生嚴重的擁堵、混亂,車輛的重量和速度對道路的使用壽命和人們的生命財產安全至關重要。傳統的有關檢測交通狀況的探針如感應環探針、微環探針等都會在施工和維護時不同程度的損傷路面。因此,開發一種交通監控系統來獲取車輛的統計數據迫在眉睫,如可實時監測交通流量、車速、車輛重量等。

Liu等[35]開發了一種由多個壓電元件組成的能量收集陣列(energy harvesting array,EHA),用于交通監控和能量收集。通過壓縮實驗得出EHA響應規律,為監測車輛軸重和速度信息奠定了基礎,并聯多個EHA組成的能量收集陣列可以實現對車速、軸重等基本交通信息的采集。Gao等[36]使用混凝土封裝的光纖傳感器監測混凝土內部鋼筋的腐蝕情況,結果表明,其該傳感器可以有效地對鋼筋腐蝕進行監測,且穩定性好,預計可使用10年以上。

水泥基壓電傳感器(cement-based piezoelectric sensors,CPC)因其具有與混凝土結構良好的兼容性而被廣泛研究,應用于實際工程中[37-39]。Zhang等[40]提出了一種使用嵌入式水泥基壓電傳感器的新型智能交通監測方法。圖3所示為不同平均載荷下水泥基壓電傳感器的機電響應情況,可以看出,負載水平對傳感器的輸出幾乎沒有影響,因此基于水泥壓電傳感器所具有的高穩定性使得其適合作為動態機電傳感器。Zhu等[41]以水泥乳化瀝青為基體相,PZT為壓電相,采用切割填充法制備2-2壓電復合材料,將壓電傳感器模型嵌入到道路結構模型中,證實了水泥乳化瀝青壓電復合材料用于動態稱重的可行性。當壓電傳感器嵌入道路結構中時,應力集中發生在嵌入位置。

圖3 水泥基壓電傳感器的機電響應[40]

由此可見,智能交通監控系統具有良好的交通信息收集潛力,如交通流量檢測,車輛速度檢測和動態稱重測量等。

Wang等[42]研究了一種適用于道路交通條件的可批量加工的多層垂直蝶形陣列壓電傳感器件,其轉換的功率可以為危險區域的汽車提供實時安全警告,特別是對偏遠山區的交通安全警告,這些地區的遠距離輸電不方便,夜間、霧天和雨雪天駕駛都很危險。表3是以重型卡車和普通轎車為例,對不同道路條件下該裝置的試驗頻率進行計算和模擬,根據模擬結果,對多層垂直蝶形陣列壓電傳感器的最大輸出電壓和功率進行計算,如圖4所示。綜合表3和圖4可知,在輕型交通車速為50～90 km/h、重型交通車速為90～100 km/h時,功率轉換效果最佳,兩者相比較發現該裝置在輕型交通中的發電能力較高。壓電傳感器在同一道路上不同速度下的輸出電壓也不同,不同的電壓仍會影響設備的穩定運行,因此需要增加穩壓裝置,以確保報警設備在實際應用中的長期使用壽命。單個壓電傳感器瞬間點亮標志效果明顯,標志顯示瞬時閃爍模式,在7～11 Hz的振動頻率范圍內,實時安全報警效果較好。

a為輕型交通汽車速度30～40 km/h;b為輕型交通汽車速度50～90 km/h;c為輕型交通汽車速度100～120 km/h;d為重載交通車速度60～100 km/h

表3 不同路況的速度與頻率[42]

水泥基壓電傳感器可用于智能交通監控系統,并且能夠準確地測量車輛流量、車速和車軸總重量。實驗室和現場試驗表明以壓電材料為基礎所制備的不同壓電器件具備抗干擾能力強、壓電響應快、測量精度高、使用壽命長、結構特性好和易于裝配與維護等優勢。因此傳感器在交通監測中是有效的,具有良好的應用潛力,但在成本以及大規模應用上還需進一步研究。

2.2 壓電混凝土道路結構健康監測技術

在過去的幾十年里,由于內在因素(材料自身缺陷、結構設計和施工不足等)和外在因素(惡劣環境、意外荷載等)的不利影響,混凝土結構通常在整個使用壽命內發生退化,如混凝土開裂[43]、鋼材腐蝕[44-45]和結構倒塌[46]等,造成安全問題和經濟損失。因此,需要監測路面的健康情況,在早期發現問題時對混凝土及時養護,可延長路面使用壽命。在道路結構健康檢測中,智能壓電材料日益引起了人們的關注,已經開發了許多與壓電材料相關的結構健康監測(structural health monitoring,SHM)技術來評估原位結構的安全性和完整性,如聲發射技術[47]。此外,使用壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復合材料制造的壓電傳感器被用作SHM的傳感器和致動器。其中,由PZT或智能骨料(smart aggregate,SA)組成的傳感器已廣泛應用于混凝土結構的評估中,通過分析電阻、電壓、頻率、介電常數和阻抗的變化,評估和檢測結構的強度和損傷條件。目前運用壓電材料智能結構技術對道路混凝土構件進行健康檢測的工作原理就是將壓電材料埋于混凝土構件中,利用壓電材料的正壓電效應,組成無損健康檢測體系,同時將接收和發出的信息用于評估道路混凝土構件的損壞情況。

2.2.1 水泥混凝土結構健康監測

在水泥混凝土的結構健康監測中,主要檢測腐蝕和裂縫,鋼筋的腐蝕會削弱其承載能力,而裂縫則會加劇腐蝕和應力集中。近年來,學者們通常使用光纖傳感器來監測鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕過程[48-49],然而,光纖傳感器易于受到溫度的影響,使該方法的監測可靠性降低。PZT由于其受溫度影響小、成本低廉的優勢在道路結構健康監測中獲得了越來越多的關注。

Du等[50]基于超聲波的嵌入式壓電傳感器對混凝土中鋼筋的腐蝕進行評估,分別使用具有良好發射、接收能力的PZT-4型、PZT-5型壓電陶瓷作為發射接收元件,同時使用水泥/聚合物作為包裝材料來制造接收傳感器,通過分析超聲波光譜,提取峰值振幅、波速和主頻的聲學參數來監測混凝土中鋼筋的腐蝕程度。Lu等[51]使用嵌入式水泥基壓電復合傳感器和聲發射(acoustic emission,AE)技術監測在加速腐蝕條件下有/無裂縫的混凝土梁中鋼筋的腐蝕活動。通過自編程的監測系統成功檢測并記錄了由局部腐蝕和混凝土裂縫引發的AE參數。發現水泥基壓電傳感器通過AE技術能很好地檢測裂縫的存在。Kee等[52]使用PZT傳感器作為混凝土結構表面表面波的驅動和傳感源,以評估使用PZT傳感器監測裂縫深度的可行性。Tseng等[53-54]提出了使用表面粘結阻抗傳感器監測混凝土結構中兩種類型損傷(即空洞和裂縫)的數值研究。Talakokula等[55]分別對在鋼筋表面和嵌入鋼筋混凝土內部的壓電陶瓷傳感器進行鋼筋銹蝕敏感度研究,結果表明,嵌入式壓電陶瓷傳感器對鋼筋的銹蝕過程更為敏感。高振恒[56]利用波傳播分析法,通過辨識傳感器接收信號的變化對混凝土內部結構進行損傷識別和監測,并基于信號幅值提出了損傷指標來衡量損傷程度,結果表明基于壓電陶瓷的波傳播分析法對混凝土裂縫損傷識別和監測是有效的。Yang等[57-59]研究了機電阻抗(electromechanical impedance,EMI)技術在實際應用中的問題,并得出了PZT鍵合厚度與溫度之間的關系;此外,他們還提出了一種可重復使用的PZT傳感器。鄧有生等[60]利用水泥基碳纖維復合材料制備了一種碳纖維智能傳感器,將其嵌入帶有預制裂縫混凝土梁試件中進行試驗,結果表明,水泥基智能層可通過電阻率變化對混凝土梁的平均應變進行監測,從而達到監測裂縫寬度變化的要求。王露等[61]將撓度控制在一定范圍內,發現樹脂基纖維智能層的電阻與玻璃板的裂縫寬度呈線性變化關系,可為工程結構在循環荷載作用下的損傷檢測提供試驗依據。

Pan等[62]使用壓電水泥傳感器和PZT傳感器分別對水灰比為0.4、0.5和0.6的三種水泥砂漿的抗壓強度(fc)進行了56 d的監測,PZT傳感器在電導圖譜中第一個共振峰(50～150 kHz)沒有觀察到電導隨齡期變化的規律性趨勢,導致有效監測頻率范圍難以找到。第二共振峰(334～364 kHz)和第三共振峰(496～561 kHz)附近的電導隨樣品齡期的增加呈下降趨勢,但三種類型砂漿的有效頻率在第三峰區并不總是能全部監測到,結果具有不確定性。PEC傳感器在電導圖譜中沒有共振峰,曲線平滑且只有微小波動。有效監測頻率如表4和表5所示,結果表明PEC傳感器的監測能力優于PZT傳感器,這是由于PEC傳感器的電阻抗變化比較明顯。

表4 砂漿中嵌入PZT傳感器的有效監測頻率[62]

表5 砂漿中嵌入PEC傳感器的有效監測頻率[62]

鋼筋在水泥混凝土中的腐蝕監測是一個長期而連續的過程,給監測設備和技術帶來了嚴峻的挑戰。具有傳感和驅動雙重功能的壓電材料使得這一問題得到了一定程度的解決。目前通過使用壓電陶瓷和壓電復合材料作為元件開發了一種嵌入式壓電傳感器[63],將其埋入混凝土內部可以更有效地監測混凝土的裂縫、空洞和腐蝕等。

2.2.2 瀝青路面健康監測

水泥混凝土是一種與溫度關系較小的材料,其性能不易受溫度變化的影響,混凝土中的壓電傳感器驅動信號的傳播穩定,這使得損傷監測更簡單和更有效。然而,瀝青混凝土是典型的溫度依賴性材料,其機械性能和空隙率隨溫度而變化,導致其信號傳播特性亦發生變化。因此,水泥混凝土的監測模型不適用于瀝青混凝土。

Alavi等[64]提出了一種基于壓電自供電無線傳感器(self-powered wireless sensors,SWS)技術的瀝青混凝土路面連續健康監測方法。在交通荷載下,該方法能夠監測和定位瀝青路面自下而上的開裂情況,用于損傷診斷。Hasni等[65]制造了一種非恒定壓電薄膜型SWS,基于由損壞或開裂引起的電壓幅度的偏差,檢測瀝青混凝土路面自下而上的裂縫。室溫(25 ℃)下實驗結果表明,代表傳感器應變/電壓的曲線的斜率(絕對值)與施加的循環次數有關,循環次數越多,曲線斜率的絕對值越大。PZT具有良好的壓電性和高的介電常數,但其缺點在于PZT更脆并且其模量比瀝青混合料更高,這就使得嵌入瀝青路面中的PZT的變形在交通荷載下與瀝青混合料的變形不一致,導致嵌入瀝青路面的PZT更容易受到損壞。Ji等[66]將PZT和聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)復合制備的壓電振子封裝在環氧樹脂中,制備了自供電損傷檢測骨料(self-powered damage detection aggregates,SPA),實驗表明其抗壓強度可達16 MPa且具有優異的傳感和驅動特性。研究了裂縫寬度與PZT/PVDF復合壓電傳感器的聲波衰減系數的關系,如圖5所示?？梢钥闯?聲波衰減系數隨著瀝青路面裂縫寬度的增大而降低,二者之間近似于線性關系。因此利用SPA激發的聲波監測瀝青路面隱蔽裂縫是可行的。

圖5 PZT/PVDF復合壓電傳感器的聲波衰減系數和裂縫寬度之間的關系[66]

瀝青混凝土路面與溫度密切相關,為了克服溫度對監測結果的影響,研究人員發現將壓電陶瓷與高分子聚合物共混可制得具有良好特性的傳感器。然而,在瀝青混凝土路面的監測中,聲波的傳播和衰減會受到瀝青混凝土結構和性質的影響。大部分關于混凝土路面的監測都是以壓電陶瓷材料為主要的壓電材料,但其抗沖擊能力不夠,容易發生斷裂破壞,因此需要研究成本低廉、電學性能和物理性能優良的壓電材料來彌補這一缺陷。

3 目前存在的問題及展望

壓電技術在道路中的應用問題主要集中于用于道路的能量采集新材料的開發,路面結構中壓電裝置的埋設,所采集能量的高效存儲和高效利用,壓電材料與道路材料的適應性、對傳統路面結構的影響,壓電裝置的生命周期成本、穩定性等問題。

(1)在混凝土路面服役期間,路面需要承受車輛荷載的反復作用,尤其是重型荷載,這對材料的力學性能、抗疲勞性能、抗老化性能都提出了很高的要求。因此,必須在保證壓電性能穩定的條件下提高能量轉換效率和抗壓性能,在提高單一的壓電陶瓷材料性能的基礎上,可以進行二元、三元甚至多元壓電復合材料的研究。例如,石墨-水泥基復合材料和柔性聚合基復合材料等。

(2)目前對于壓電裝置有諸多不同排列的安裝方法,應合理設計壓電換能器結構以便于能夠正確安裝,同時應對換能器能量的存儲效率進行深入研究。壓電能量接口電路對能量收集效率影響很大,因此,為了使能量收集系統獲得更高的轉換效率,壓電能量接口電路的設計也應不斷進行優化,匹配相符合的儲能單元,才能更好地收集和存儲能量。

(3)壓電傳感器在監測交通和道路健康的同時,需要對其在交通載荷和外部環境影響下的力學性能及疲勞老化情況進行研究,分析評估傳感器的使用壽命和成本。研究者發現壓電式能量采集器安裝一年后,發電量顯著下降[67],此時可用柔性壓電膜代替剛性壓電陶瓷,增大能量收集器的轉換效率和輸出性能。對傳感器的重復利用進行深入研究,在提高性能的同時降低其使用成本。將壓電裝置埋設于道路中改變了路面結構,可能會對傳統道路結構產生負影響,在設計壓電裝置時應該對其材料和結構進行調整,使其能更快更高效的應用在實際工程中。要加大力度對封裝材料進行優化,特別是加入封裝材料的摻料以及配比,在滿足強度和絕緣性能等基本要求的同時,使得封裝后的壓電器件在高頻荷載下具有更優的力學傳遞性能。

(4)瀝青是一種溫度依賴型材料,機械能和空隙率隨著溫度的變化而改變,當封裝后的壓電換能器置于瀝青混凝土路面中時,研究溫度的變化對能量轉換效率的影響,確定最佳轉換效率所對應的溫度?？稍诓煌貐^對其進行模擬實驗,根據南北溫差及早、中、晚三個階段的不同溫度研究對能量轉換效率的影響。在實際應用中道路交通環境對裝置也有一定的影響,影響設備的發電效果和應用耐久性,因此需要根據環境對裝置進行適當封裝,使其內外環境的相互作用減少,提高適用性及耐久性。

(5)可將壓電-熱電、壓電-太陽能等各種其他可行的技術進行集成組合,以獲得更好的實際使用效率,且兼顧其他綠色、智能、可持續等特點。同時應對地質災害、雨水、空氣質量等一系列自然因素對發電路面的影響進行深入研究,最大限度地減少不必要的損失。

4 結論

(1)對幾種不同類型的壓電換能器的效率和剛度進行了比較,確定了適用于不同路面的換能器類型,工程所采用的能量收集系統裝置必須結合適宜的換能器類型、路面能量收集電路和方法,從而實現高效率的綠色無污染能量收集技術。

(2)水泥基壓電傳感器可對交通狀況進行監測,嵌入式水泥基壓電傳感器比普通的傳感器性能更優異,穩定性更高,平均負載水平對傳感器輸出幾乎沒有影響,且可以為汽車提供實時報警信號,單個壓電傳感器瞬間點亮標志明顯,實時報警效果較好。

(3)PZT/PVDF復合壓電傳感器具有優異的傳感和驅動特性,可以有效監測和評估混凝土內部的結構問題,也可用于監測瀝青路面裂縫的發展。