智能交通傳感器關(guān)鍵材料的研究.pdf

1、交通事故是影響現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)效率的重要因素。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，車輛數(shù)量的持續(xù)增長不斷使得道路交通系統(tǒng)負(fù)荷增大，同時(shí)增大了交通事故發(fā)展的概率。在高速公路和城市交通關(guān)鍵樞紐區(qū)域，交通事故的發(fā)生降低了整個(gè)道路系統(tǒng)的通行能力，甚至導(dǎo)致交通的中斷，因此在這些區(qū)域的交通事故控制尤為重要。交通事故的發(fā)生受到多個(gè)因素的影響，包括駕駛員的精神狀態(tài)、車速、行駛路徑、天氣條件、車重、道路交通狀況等。對(duì)于行駛中的車輛，可通過監(jiān)測(cè)車輛輛行駛狀態(tài)、車重、道路

2、交通狀況，根據(jù)路段的具體情況（路段彎直、坡度、路面材料種類等）和天氣條件，通過控制車輛速度及行駛路線降低交通事故發(fā)生概率。 本文依托國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2006AA112117），從交通事故控制出發(fā)，設(shè)計(jì)了以壓電陶瓷為敏感材料、可同時(shí)測(cè)量車輛行駛狀態(tài)、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)及車重的智能交通傳感器，并從智能交通傳感器功能及其工作環(huán)境出發(fā)，研究開發(fā)了傳感器敏感材料、敏感材料封裝片及保護(hù)材料，在此基礎(chǔ)上制備傳感器，研究了各種條件下傳感器的輸

3、出。主要工作及成果如下： 1.采用Cr3+摻雜、K+低溫?zé)傻募夹g(shù)路線，結(jié)合熱處理的方法降低壓電陶瓷老化率的燒成溫度，制備出燒成溫度為960℃、10倍時(shí)間老化率為1.18%的敏感材料。 （1）Cr3+對(duì)敏感材料電疇疇壁有釘扎作用，使其難以被極化，但在Cr2O3摻量小于0.3%時(shí)對(duì)敏感材料燒結(jié)有促進(jìn)作用，敏感材料的壓電常數(shù)隨摻量增大升高；而在摻量大于0.3%時(shí)限制陶瓷晶體的生長，導(dǎo)致敏感材料內(nèi)晶界面積過大，晶體內(nèi)電偶極子的

4、運(yùn)動(dòng)困難，自發(fā)極化作用降低，敏感材料的壓電常數(shù)隨摻量增大降低，因此其最佳摻量為0.3%。 （2）KCl在770℃熔解形成熔體，促進(jìn)敏感材料的燒成，使其燒成溫度大幅度降低。同時(shí)，K+取代形成O空位使敏感材料10倍時(shí)間老化率增大，增大熱處理后壓電陶瓷壓電性能的穩(wěn)定性。 （3）熱處理大大提高敏感材料壓電性能的穩(wěn)定性。采用合適的熱處理工藝，可敏感材料的10倍時(shí)間老化率小于1.8%。 2.以離子摻雜和低溫液相燒結(jié)相結(jié)合的方

5、法，降低95氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，制備出燒結(jié)溫度為1550℃，吸水率接近于零，體積電阻率大于9×1012Ω·m的敏感材料封裝片。 （1）采用離子摻雜燒結(jié)和低溫液相燒結(jié)結(jié)合的方法可大大降低氧化鋁封裝片的燒結(jié)溫度，且材料的吸水率、化學(xué)侵蝕下的質(zhì)量損失均較低，體積電阻率高。 （2）單一的TiO2摻雜燒結(jié)可降低燒結(jié)溫度，但材料的吸水率較高，體積電阻率相對(duì)較低，較高溫度下燒成的封裝片力學(xué)性能因晶粒異常長大而大幅度下降。單一的低溫液

6、相燒結(jié)封裝片性能受配比影響大，且材料的吸水率高，體積電阻率低。 （3）封裝片的微觀結(jié)構(gòu)、密度、吸水率、彎曲強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長變化較?。凰崆治g和水侵蝕下的質(zhì)量損失率基本不變，堿侵蝕下的質(zhì)量損失隨保溫時(shí)間延長先急劇下降，其后基本沒有變化，而體積電阻率隨保溫時(shí)間延長先急劇增大，其后平緩增大。 3.研究了傳感器保護(hù)材料的力學(xué)性能及抗凍性能、抗氯離子侵蝕性能及耐酸侵蝕性能等耐久性，提出保護(hù)材料彎曲韌性評(píng)價(jià)方法。 （1）聚

7、合物粗纖維可提高混凝土的力學(xué)性能，其增強(qiáng)效果與鋼纖維相當(dāng)。由于聚合物粗纖維的彈性模量為鋼纖維的1/7-1/9，聚合物粗纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用更多地作用在混凝土破壞后。 （2）由于聚合物粗纖維存在“撓度回彈”的現(xiàn)象，已有的混凝土韌性評(píng)價(jià)方法不適用于聚合物粗纖維混凝土，可采用“撓度回彈點(diǎn)”應(yīng)力和應(yīng)力峰值點(diǎn)應(yīng)力比值和應(yīng)力峰值點(diǎn)撓度與“撓度回彈點(diǎn)”撓度比值的均方值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。 （3）聚合物粗纖維可有效提高混凝土的抗凍性能，而由

8、于彈性模量低，對(duì)混凝土抗凍性能的增強(qiáng)效果低于鋼纖維，而其抗氯離子侵蝕性能和耐酸侵蝕性能均高于相同摻量的鋼纖維混凝土。 4.制備了以PZT型壓電陶瓷和PLMN型壓電陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器，研究了兩種傳感器在不同應(yīng)力水平下、不同加載時(shí)間、不同溫度和疲勞荷載作用下的輸出特性。 （1）以PZT型壓電陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器有較寬的線性范圍，在0.1MPa-2MPa范圍內(nèi)壓力與輸出的線性關(guān)系好；而以PLMN型壓陶瓷為

9、敏感材料的智能交通傳感器的線性范圍窄，在0.1MPa-1.5MPa范圍內(nèi)壓力與輸出存在線性關(guān)系，但其線性關(guān)系置信度低于以PZT型型壓電陶瓷為敏感材料的交通傳感器，而在1.5MPa以上壓力與輸出不存在線性關(guān)系 （2）以PZT型壓電陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器在加載時(shí)間小于0.1s時(shí)其輸出-壓力比受加載時(shí)間的影響較小，而在加載時(shí)間大于0.1s時(shí)輸出-壓力比隨時(shí)間的延長減小；在相同加載時(shí)間下，輸出-壓力比隨壓力的減小而減小。以PLM

10、N型壓陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器的輸出-壓力比隨加載時(shí)間的增大而減小，而壓力-荷載比受壓力大小的影響不規(guī)律。 （3）在-20℃-60℃范圍內(nèi)，以PZT型和PLMN壓電陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器的輸出隨溫度上升先減小后增大，輸出與壓力之間的線性關(guān)系隨溫上升而變差。 （4）以PZT型和PLMN壓電陶瓷為敏感材料的智能交通傳感器的輸出基本不受疲勞荷載的影響，加載前與50萬次疲勞荷后、100萬次疲勞荷載后的輸出變化很小。