[發明專利]一種柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件及其制備和應用

有效

• 申請號: 202211637575.5
• 申請日: 2022-12-20
• 公開（公告）號: CN115623853B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 張妍;徐倩倩;張建勛;張斗;周科朝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H10N30/853
• 分類號: H10N30/853;H10N30/88;H10N30/30;H10N30/01;H10N30/084;H10N30/093;H02N2/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生

本發明屬于壓電材料，具體公開了一種柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件，包括依次復合的第一導電膜、壓電陶瓷陣列層和第二導電膜；所述的壓電陶瓷陣列層包括若干按陣列排列的壓電陶瓷柱，以及分散在各壓電陶瓷柱之間的封裝材料；所述的壓電陶瓷柱具有沿高度方向的取向通孔，且孔隙率為40~60%；各相鄰壓電陶瓷柱的間距為1~5mm。本發明還包括所述的材料的制備和應用。本發明中，基于所述的特殊取向的多孔陶瓷和陣列設置的聯合控制，能夠實現協同，能夠賦予材料的優異柔性，此外，還能夠改善壓電輸出性能。

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷技術領域，具體涉及柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件技術領域。

背景技術

能量收集?(Energy?Harvesting)?技術已展現出為無線傳感器節點供電的巨大潛力，有望在智能交通、智能車輛、智能醫療、人機界面和安全設備等多種物聯網系統全面普及。能量收集技術可利用光伏、熱電、壓電、電磁等各種效應把器件周圍環境中廣泛存在的光能、熱能、機械能、風能等能量轉換成可以使用的電能。但是太陽能、風能、潮汐能、地熱能等均只適用于特定的地理環境中，不能滿足離散程度大、分布范圍廣的物聯網傳感器的供電需求。機械振動能是環境中普遍存在的一種能量形式，廣泛存在于普通家庭設備、工業設備、交通工具、建筑物環境以及人體活動等各個場景中。

相對于其他可再生能源，機械振動能更適合微型能量收集器件，如手指敲擊、脈搏跳動、呼吸等產生的微小振動均可以被收集。且不同于太陽能、風能等強烈依賴自然環境發電，振動能量收集受環境的影響很小。振動能量收集技術主要有四種：電磁式、靜電式、摩擦式和壓電式。其中，壓電器件以其結構簡單、設計靈活、易于制造、信噪比優異、普適性強等特點成為了目前解決能源問題的研究熱點。

壓電陶瓷基復合材料作為壓電能源器件的關鍵核心功能元件，目前最常見的柔性化策略是將壓電陶瓷和有機聚合物復合制備成壓電復合材料，但是與純陶瓷相比，這種方式降低了整體器件的壓電性能，導致器件的輸出電壓、電流偏低。因此，通過壓電材料的結構設計，在保持較高柔性的同時具有高的壓電輸出性能具有重要意義。

發明內容

針對現有壓電陶瓷發電器件存在柔性差、壓電輸出性能不理想的問題，本發明第一目的在于，提供一種柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件，旨在提供一種兼顧柔性以及高電壓、電流輸出能力的壓電陶瓷發電器件。

本發明第二目的在于，提供所述的柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件的制備方法，旨在制備得到所述兼顧優異柔性和高壓電輸出能力的壓電陶瓷發電器件。

本發明第三目的在于，提供所述的柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件在低頻能量收集裝置特別是智能穿戴裝置制備中的應用。

陶瓷材料的脆性大，特別是多孔的陶瓷材料，其結構更容易坍塌粉化，難于實現陣列化、柔性化，難于獲得兼顧柔性和高壓電性能的器件，針對該問題，本發明提供以下解決方案：

一種柔性取向多孔陣列式壓電陶瓷發電器件，包括依次復合的第一導電膜、壓電陶瓷陣列層和第二導電膜；

所述的壓電陶瓷陣列層包括若干按陣列排列的壓電陶瓷柱，以及分散在各壓電陶瓷柱之間的封裝材料；

所述的壓電陶瓷柱具有沿高度方向的取向通孔，且孔隙率為40~60%；各相鄰壓電陶瓷柱的間距為1~5mm。

針對多孔陶瓷容易粉化，難于實現柔性和高壓電輸出兼顧的問題，本發明研究發現，創新地將具有高度方向取向通孔的壓電陶瓷柱按所述的陣列方式設置構成壓電器件，進一步配合孔隙率以及陣列排列方式的聯合控制，如此能夠意外地實現協同，能夠賦予器件優異的柔性，此外，還能夠協同改善壓電電壓和電流輸出效果。