[發明專利]一種具有高發電特性的無鉛壓電能量收集材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201611147524.9
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN106699177B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 鄭木鵬;晏曉東;侯育冬;朱滿康
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C04B35/49
• 分類號: C04B35/49;C04B35/622
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種具有高發電特性的無鉛壓電能量收集材料及其制備方法，屬于電子陶瓷材料領域。該陶瓷材料的化學組成為(1?x)Ba(Zr_0.185Cu_0.015Ti_0.8)O_2.985?x(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃，x的數值為0.50～0.70。以BaCO₃、CaCO₃、BaZrO₃、TiO₂及CuO為原料，采用濕磨、烘干、煅燒，二次球磨、造粒、壓制成型、燒結步驟。優選通過室溫三相共存和硬性摻雜機制的協同作用，實現能量收集性能的大幅度提升，有望應用于壓電能量收集器件，可以有效地回收再利用廢棄的能量，且節能、環保、安全，具有顯著的經濟和社會價值。

技術領域

本發明屬于電子陶瓷材料領域，具體涉及一種應用于振動能量收集的具有高發電功率的無鉛壓電陶瓷材料。

背景技術

隨著物聯網和可穿戴電子技術的發展，以化學電池為主的供電方式由于體積大、壽命短，已不能滿足微型機電設備對持久能量供應的需求。近年來，基于振動能量收集的各種能量收集技術受到廣泛關注并快速發展。其中，壓電能量轉換不僅具有高的能量密度，還具有結構簡單、無電磁干擾、加工制作容易等優點，是目前最有應用前景的振動能量收集技術。

壓電能量收集器基于壓電材料的正壓電效應，即有力作用于壓電材料時，在材料表面產生電荷。通過該效應可以將環境中無處不在的機械振動轉化為電能，實現機械能回收再利用的目的。為了獲得優異的發電特性，對于壓電能量收集材料最重要的性能要求是具有高的能量轉化效率η：

其中，k為機電耦合系數，Q_m：為機械品質因數。此外，能量收集用壓電材料還要具有高的能量密度u:

其中，d為壓電應變常數，g為壓電電場常數，F為作用力，A為面積。對于壓電材料而言，高的能量密度主要由高的機電轉換系數d×g值來決定。

無量綱品質因數(DFOM)是評價能量收集材料性能的一個綜合指標，其可以如下公式表示：

其中，tanδ為介電損耗，s^E為材料的彈性模量。

綜上所述，獲得具有高發電特性無鉛壓電能量收集器的關鍵在于制備同時具有高能量轉化效率(η)、機電轉換系數(d×g)和無量綱品質因數(DFOM)的無鉛壓電陶瓷材料。目前，廣泛研究的無鉛壓電材料體系主要包括鈮酸鹽系、鈦酸鉍鈉基以及鈦酸鋇基壓電陶瓷。其中，鈮酸鹽系壓電陶瓷室溫下位于多晶相界處，壓電性能優異，但當溫度偏離室溫后，其性能迅速劣化。而限制鈦酸鉍鈉基壓電陶瓷應用的原因，主要是其低的退極化溫度。近年來，鈦酸鋇基壓電陶瓷成為無鉛壓電材料領域新的研究熱點。當前研究中主要通過各種改性手段提高其壓電常數d₃₃，面向壓電制動器應用。與壓電能量收集器件的性能要求存在極大差異。因此，亟待開發滿足能量收集性能要求的鈦酸鋇基壓電陶瓷。本發明中，通過成分驅動的相結構演化，并結合硬性摻雜機制，在室溫下獲得了具有三方-正交-四方(R-O-T)三相共存的硬性鈦酸鋇基壓電陶瓷。三相共存和硬性摻雜機制的協同作用，使該鈦酸鋇基壓電陶瓷材料的能量收集性能得到極大提升，為實現壓電能量收集器件無鉛化，奠定堅實的基礎。

發明內容