[發明專利]基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201910452125.0
• 申請日: 2019-05-28
• 公開（公告）號: CN110092654A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 鄭海務;張遠征;蔣俊華;王清林;朱泉泳;蘇煥鑫
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/622;C04B35/626;H01L41/187;H01L41/43;H01L41/113
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發明提供了一種基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架、制備方法及其應用，所述壓電材料是利用固相法制備出鈦釤兩種元素共摻雜的鐵酸鉍基壓電材料，結構式為Bi_1?x Sm_xFe_1?xTi_xO₃，其中0.12≤x≤0.16，所述鐵酸鉍基壓電材料以纖維素做模板經冷凍技術制備出互連三維多孔壓電骨架。將制備的互連三維多孔壓電骨架應用到柔性壓電復合膜中，膜內的壓電顆粒均勻分布并且相互連接，應力可以直接在壓電顆粒直接傳遞而不必經過柔性基質，所以具有更大的應力傳遞能力，相同的外部機械刺激下，能產生更高的輸出。

技術領域

本發明涉及壓電材料領域，具體設計一種基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架、制備方法及其應用。

背景技術

基于壓電復合膜制備的柔性壓電納米發電機通常由壓電填料和柔性基質組成，壓電納米發電機受到外力刺激時，會產生電輸出。一般的壓電復合膜是直接將柔性基質和壓電填料混合制備而成。但是該方法在復合膜固化的過程中，壓電填料受重力影響，會聚集在壓電復合膜底部，造成壓電填料分布不均勻的現象。因此壓電發電機在受到外力刺激的時候，大部分應力會被柔性基質所吸收或耗散，只有小部分應力傳遞到壓電填料上，即應力傳遞能力不高。根據直接壓電效應，應力傳遞能力不高必定導致壓電納米發電機的輸出不高。此外，壓電材料的壓電性也是決定壓電納米發電機的輸出的一個重要因素，以往制備高性能壓電發電機的壓電材料通常含有鉛元素，含鉛材料將會對環境和人體健康造成巨大的傷害。尋找無鉛、經濟、制備簡單的壓電材料一直備受關注。

此外，借助放大電路與比較器電路，利用壓電電壓信號作為觸發信號，控制其他設備的開關。我們將利用本發明制備得壓電材料應用到發電機輸出上，之后裝置安裝在滅火器上，消防員可以不必冒著生命危險進入易爆場所進行消防作業，可以有效降低經濟損失和人員傷亡。

發明內容

本發明針對目前基于柔性壓電復合膜制備的壓電納米發電機應力傳遞能力不高的問題，提出了一種基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架、制備方法及其應用，利用纖維素做犧牲模板，通過冷凍干燥技術制備出互連三維多孔壓電骨架。并以硅膠為柔性基質，采用原位加熱與刮刀涂布方法制備壓電填料均勻混合，并相互連接的柔性壓電復合膜。提高壓電復合膜的應力傳遞能力，由此提高壓電納米發電機的輸出。此外通過固相法制備出鈦釤兩種元素共摻雜的鐵酸鉍基壓電材料，改善了鐵酸鉍的壓電性，并且材料不含鉛，原料價格低廉易得，制備方法簡單。

實現本發明的技術方案是：

一種基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架，所述壓電材料利用固相法制備出鈦釤兩種元素共摻雜的鐵酸鉍基壓電材料，結構式為Bi_1-x Sm_xFe_1-xTi_xO₃，其中0.12≤x ≤0.16，所述鐵酸鉍基壓電材料以纖維素做模板經冷凍技術制備出互連三維多孔壓電骨架。

所述的基于壓電材料的互連三維多孔壓電骨架的制備方法，步驟如下：

（1）將Bi、Sm、Fe、和Ti的氧化物混合，以乙醇為媒介，在行星式球磨機中球磨混合均勻，之后烘干使酒精蒸發得到混合原料；

（2）將步驟（1）中混合原料置于馬弗爐中煅燒，煅燒后研磨得到壓電陶瓷顆粒；

（3）將步驟（2）得到的壓電陶瓷顆粒、纖維素和去離子水磁力攪拌12-16h形成均勻的懸濁液；

（4）將步驟（3）得到的懸濁液置于-20℃環境中冷凍結冰，凍結樣品置于冷凍干燥機中升華，通過升華的方式除去凍結樣品中的水，就行成了壓電陶瓷顆粒均勻分布在纖維素為骨架上的混合物；

（5）將步驟（4）得到的纖維素與壓電顆粒的混合物煅燒得到互連三維多孔壓電骨架。