[發明專利]大能量機電轉換材料

無效

• 申請號: 200810231801.3
• 申請日: 2008-10-17
• 公開（公告）號: CN101386535A
• 公開（公告）日: 2009-03-18
• 發明（設計）人: 馮玉軍;徐卓;姚熹
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C04B35/49
• 分類號: C04B35/49
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳翠蘭

技術領域

本發明屬于利用施加壓力產生大電能量的機電能量轉換材料和脈沖電源技術領域，特別涉及一種可以施加小的壓力釋放出大電荷量的陶瓷材料化學組成。

背景技術

利用特種功能材料的機械能-電能量轉換特性通過施加壓力使材料產生電能量，可以用在缺乏外界供電電源或者希望使電源體積和重量小型化的場合。目前技術上廣泛使用的是利用壓電材料的正壓電效應通過對材料施加壓力產生高壓電脈沖的壓電型脈沖電源。壓電型脈沖電源的優點是結構簡單，體積小、重量輕，可以反復使用。但是壓電型脈沖電源的缺點是壓電材料能夠提供的電荷量小，難以制作成提供大電能量的電源。利用具有極化強度的鐵電材料在外加壓力作用下能夠轉變成沒有極化強度的反鐵電相或者順電相釋放出所儲存的電能量的壓力誘導相變特性，可以提供更多的電荷量，從而提高電源的供電能力。二十世紀六十年代美國B.Jaffe等人發現低鈦組分的鋯鈦酸鉛二元化合物Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(其中x≈0.05，簡稱PZT95/5)，可以通過外加壓力迫使鐵電相轉變成反鐵電相釋放出所儲存的電能量。這種材料的機電能量轉換特性引起工業技術界的重視。美國圣地亞哥國家實驗室研究了PZT95/5陶瓷材料在壓力誘導下鐵電相變的電能量輸出特性，用做大功率高壓脈沖電源。中國科學院上海硅酸鹽研究所和中國工程物理研究院也開展了PZT95/5陶瓷材料的研制和在各種負載阻抗下的電能量輸出特性研究工作。

應用中PZT95/5陶瓷材料的缺點是需要施加很大的壓力才能夠迫使鐵電相轉變成反鐵電相釋放出電能量，因此通常采用炸藥爆炸產生足夠強的沖擊波作為壓力驅動源施加到PZT95/5材料上。但是，在使用中強的沖擊波有可能造成材料在釋放出電能量之前就被力學沖擊破壞導致失效，另外需要對爆炸壓力驅動源進行非常堅固的防護措施防止沖擊波破壞到周圍其它的部件上。這些問題影響了電源系統的可靠性，并且增加了電源的體積重量。

發明內容

本發明的目的是提供一種大能量機電轉換材料，該材料能夠施加小的壓力就可以迫使材料發生鐵電相到反鐵電相的轉換，并釋放出大電能量、同時具有高力學強度和耐電擊穿強度，減輕使用中電源對驅動壓力的要求，提高電源的可靠性。

本發明的技術方案是這樣實現的：

該材料用化合價為正四價的錫元素Sn部分取代鋯鈦酸鉛化合物Pb(Zr，Ti)O₃中化合價為正四價的鋯元素Zr，用化合價為正五價的鈮元素Nb或者化合價為正三價的鑭元素La部分取代正二價的鉛元素Pb；另外，添加化合價為正三價的鐵元素Fe或者化合價為正三價的鉻元素Cr。大能量機電換能材料的化學組成式寫作(Pb，C，D)[(Zr_1-ySn_y)_1-xTi_x]O₃，其中C代表化合價為正五價的鈮元素或者化合價為正三價的鑭元素，D代表正三價的鐵元素Fe或者鉻元素Cr。

當C取Nb元素時，大能量機電換能材料的化學組成式寫作(Pb_{1-(5Z/2+3w/2)}Nb_ZFe_w)[(Zr_1-ySn_y)_1-xTi_x]O₃，其中x的變化量在0.03—0.08之間，y的變化量在0.05—0.30之間，z的變化量在0.01—0.04之間，w的變化量在0.04—0.10之間；

當C取La元素時，大能量機電換能材料的化學組成式寫作(Pb_{1-(3Z/2+3w/2)}La_ZCr_w)[(Zr_1-ySn_y)_1-xTi_x]O₃，其中x的變化量在0.06—0.18之間，y的變化量在0.05—0.20之間，z的變化量在0.01—0.04之間，w的變化量在0.04—0.10之間。