[發(fā)明專利]一種呈納米線分布的無鉛壓電陶瓷及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106747535B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發(fā)明（設計）人: 陳慶;曾軍堂
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/49;H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及壓電材料，尤其涉及一種無鉛壓電陶瓷,進一步涉及呈納米線分布的無鉛壓電陶瓷線以及制備方法和應用。其特征是采用了無鉛、低成本氧化物為原料，形成了組合為Zn_xAl_{{2/3?2/3(x+y)}}Ca_yTi_0.5Zr_0.5O₃的壓電陶瓷，該壓電陶瓷的晶粒呈納米線狀分布，外界微弱的振動即可使呈納米線分布的壓電陶瓷發(fā)生顯著的形變，從而進行高靈敏度的發(fā)電。如用于玻璃、路面防護板、空壓機房隔音板，利用呈納米線分布的無鉛壓電陶瓷高靈敏性，通過聲音產生的振動發(fā)電。進一步，提供了通過納米纖維引導，使晶粒的生長形成納米線的制備方法。

技術領域

本發(fā)明涉及壓電材料，尤其涉及一種無鉛壓電陶瓷,進一步涉及呈納米線分布的無鉛壓電陶瓷線以及制備方法和應用。

背景技術

壓電材料是實現(xiàn)機械能與電能相互轉換的功能材料，在機械力的作用下發(fā)生形變（伸長和壓縮）而引起帶電粒子的相對位移，從而使得晶體的總電矩發(fā)生變化而產生電能。該原理最早是1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)，在石英晶體的特定方向上施加壓力使石英晶體表面出現(xiàn)電荷，從而開啟了壓電材料的研究。

近年來，隨著工業(yè)化社會的快速發(fā)展，對能源需求猛增。依靠石油、煤、天然氣等不可再生為能源的發(fā)展模式受到嚴重的限制。發(fā)展可再生能源，實現(xiàn)能源守恒循環(huán)成為關鍵。壓電材料作為機械能-電能轉化材料，成為回收機械能，實現(xiàn)能量轉化的關鍵材料。具有環(huán)保、綠色、安全的特點，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。壓電發(fā)電是依靠外界極微弱的振動使壓電材料發(fā)生變形而發(fā)電，實現(xiàn)各類機械能的回收利用。其可利用的振動源無處不在，道路、運動場、工廠振動的設備、空壓站產生的噪音、窗戶封閉的噪音等均可以作為回收能源的振動源。

壓電材料先后發(fā)展了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶、聚合物等不同種類的材料，并在傳感器、超聲探針、水聽器、振蕩器等領域廣泛應用。但在發(fā)電領域，由于材料成本和壓電性能的限制，只應用于打火等小型的設備上。

石英晶體由于壓電性能較弱，因此其能量轉化弱，難以大規(guī)模作為發(fā)電材料。鈦酸鋇陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進了壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶體材料，而且在壓電性能上也有了度提高。但鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電性隨溫度和時間的變化大，不能滿足廣泛的發(fā)電要求。近些年，鋯鈦酸鉛PbZrO₃-PbTi0₃(PZT)固溶體由于具有非常強及穩(wěn)定的壓電性能，在發(fā)電領域開始嘗試使用。但在使用過程中由于鋯鈦酸鉛固溶體是由幾微米甚至幾十微米的多晶粒組成的多晶材料，因此對微弱的機械振動敏感性較差，只能通過更薄的基片以提高靈敏度。而陶瓷的脆性又致使薄片易損壞，這大大限制了鋯鈦酸鉛壓電陶瓷用于發(fā)電材料。

另外，壓電陶瓷絕大部分為鉛基壓電陶瓷，這些陶瓷材料中含有的氧化鉛有毒，高溫下易揮發(fā)，使用及后續(xù)廢棄處理過程中都會給環(huán)境和人類生活帶來危害。并不適合作為規(guī)模化推廣應用。

發(fā)明內容

針對目前壓電陶瓷用于規(guī)模化發(fā)電材料存在成本高、鉛污染、壓電靈敏度差的缺陷，本發(fā)明提供一種呈納米線分布的無鉛壓電陶瓷。其特征是采用了無鉛、低成本氧化物為原料，形成了組合為Zn_xAl_{{2/3-2/3(x+y)}}Ca_yTi_0.5Zr_0.5O₃的壓電陶瓷，該壓電陶瓷的晶粒呈納米線狀分布，外界微弱的振動即可使呈納米線分布的壓電陶瓷發(fā)生顯著的形變，從而進行高靈敏度的發(fā)電。進一步，提供了通過納米纖維引導，使晶粒的生長形成納米線的制備方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：