[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于能量收集器件的無鉛壓電陶瓷材料及制備方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201410459529.X | 申請日： | 2014-09-10 |
| 公開（公告）號： | CN104211395B | 公開（公告）日： | 2017-12-15 |
| 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人： | 侯育冬;張立娜;朱滿康;王超;鄭木鵬;嚴(yán)輝 | 申請（專利權(quán)）人： | 北京工業(yè)大學(xué) |
| 主分類號： | H01G7/06 | 分類號： | H01G7/06;C04B35/495;C04B35/626;C04B35/622 |
| 代理公司： | 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203 | 代理人： | 張慧 |
| 地址： | 100124 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 應(yīng)用于 能量 收集 器件 壓電 陶瓷材料 制備 方法 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于能量收集器件的無鉛壓電陶瓷材料及制備方法，屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)
隨著無線技術(shù)及微機(jī)電技術(shù)的日益發(fā)展，以化學(xué)電池為主，需要定期更換的傳統(tǒng)供能方式的弊端日漸顯露。壓電能量收集器是一種新型環(huán)境能量采集技術(shù)，該裝置基于壓電材料的正壓電效應(yīng)，將環(huán)境中幾乎無處不在的機(jī)械振動能轉(zhuǎn)化成可再利用的電能，從而實(shí)現(xiàn)微機(jī)電器件如無線傳感器節(jié)點(diǎn)等的自供電，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。高能量密度壓電材料的獲得是制備壓電能量收集器的關(guān)鍵，因此開展適合于能量收集器的高能量密度壓電材料研究尤其重要。
目前廣泛用于能量收集器件的壓電陶瓷材料主要為鋯鈦酸鉛(PZT)基體系。近年來隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的日益重視,發(fā)展替代有毒有害鉛基材料的新型高性能無鉛壓電陶瓷已成為各國陶瓷科學(xué)家的緊迫任務(wù)之一
為了滿足壓電能量收集器件的要求，壓電陶瓷必須具有較高的能量密度μ，即
μ＝1/2(d*g)(F/A)2
d：壓電應(yīng)變常數(shù) g：壓電電場常數(shù)
F：作用力 A：面積
由以上公式可以看出，對于材料本身來說，較高的能量密度應(yīng)由機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)(d*g)來決定，又因?yàn)間＝d/εT，所以高機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)(d*g)的材料需要同時(shí)具備高壓電常數(shù)d和低介電常數(shù)εT。但是常規(guī)固相工藝合成的無鉛壓電陶瓷材料很難同時(shí)兼具高壓電常數(shù)和低介電常數(shù)，因而不能滿足能量收集器件對材料高能量密度的性能要求。例如，2013年，高麗大學(xué)的In-Tae Seo等人嘗試采用常規(guī)固相工藝制備面向壓電能量收集器應(yīng)用的鈮酸鉀鈉KNN基無鉛材料(參考文獻(xiàn)：In-TaeChang-HoiDaniel Song,§Min-SooBo-YunSahnYoung-Sik Kim,§Tae-Hyun Sung,‖and Hyun-Cheol“Piezoelectric Properties of Lead-free Piezoelectric Ceramics and Their Energy Harvester Characteristics，”J.Am.Ceram.Soc.,96[4]1024–1028(2013))。結(jié)果顯示，盡管材料具有較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm(803)和較低的介質(zhì)損耗tanδ(0.009)，但是換能系數(shù)(d·g)很低(4911×10-15m2/N)，無法滿足高性能壓電能量收集器制造需要。
本發(fā)明將溶膠凝膠工藝與摻雜技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過在液相環(huán)境中構(gòu)建Mn摻雜Na0.46K0.46Li0.08NbO3膠體，實(shí)現(xiàn)原料與摻雜物在分子態(tài)的均勻混合，從而在較低熱處理溫度下合成高活性摻雜超細(xì)納米粉體，并進(jìn)一步燒結(jié)制備出滿足壓電能量收集器件使用要求的高能量密度無鉛陶瓷材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于能量收集器件的具有高能量密度的無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明中制備的Mn摻雜Na0.46K0.46Li0.08NbO3壓電陶瓷材料具有較高的能量密度，能滿足能量收集器件的性能要求。所謂的能量密度是指在單位空間或質(zhì)量中所含能量的大小，具體到壓電陶瓷材料，高能量密度主要由大的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)(d*g)決定。
本發(fā)明上述具有高能量密度的無鉛壓電陶瓷材料，其特征在于，是Mn摻雜Na0.46K0.46Li0.08NbO3，基體化學(xué)組成為：Na0.46K0.46Li0.08NbO3—x％Mn，x的數(shù)值為0.5～3。
上述具有高能量密度的無鉛壓電陶瓷材料納米粉末的制備方法，其特征在于通過溶膠凝膠摻雜技術(shù)得到，具體包括以下步驟：
(1)將五氧化二鈮與氫氧化鉀(優(yōu)選按摩爾比1：10)混合研磨后放置于鉑坩堝中經(jīng)350℃煅燒2～3h，所得產(chǎn)物溶解于去離子水后滴加硝酸至pH＝2～3,獲得白色沉淀，離心收集沉淀并用去離子水洗滌沉淀數(shù)次去除鉀離子；將沉淀溶解于草酸溶液中，加熱攪拌至澄清，過濾獲得淡黃色透明可溶性鈮溶液；
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