[发明专利]一种具有高发电特性的无铅压电能量收集材料及其制备方法

说明书

一种具有高发电特性的无铅压电能量收集材料及其制备方法，属于电子陶瓷材料领域。该陶瓷材料的化学组成为(1‑x)Ba(Zr_0.185Cu_0.015Ti_0.8)O_2.985‑x(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃，x的数值为0.50～0.70。以BaCO₃、CaCO₃、BaZrO₃、TiO₂及CuO为原料，采用湿磨、烘干、煅烧，二次球磨、造粒、压制成型、烧结步骤。优选通过室温三相共存和硬性掺杂机制的协同作用，实现能量收集性能的大幅度提升，有望应用于压电能量收集器件，可以有效地回收再利用废弃的能量，且节能、环保、安全，具有显著的经济和社会价值。

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料领域，具体涉及一种应用于振动能量收集的具有高发电功率的无铅压电陶瓷材料。

背景技术

随着物联网和可穿戴电子技术的发展，以化学电池为主的供电方式由于体积大、寿命短，已不能满足微型机电设备对持久能量供应的需求。近年来，基于振动能量收集的各种能量收集技术受到广泛关注并快速发展。其中，压电能量转换不仅具有高的能量密度，还具有结构简单、无电磁干扰、加工制作容易等优点，是目前最有应用前景的振动能量收集技术。

压电能量收集器基于压电材料的正压电效应，即有力作用于压电材料时，在材料表面产生电荷。通过该效应可以将环境中无处不在的机械振动转化为电能，实现机械能回收再利用的目的。为了获得优异的发电特性，对于压电能量收集材料最重要的性能要求是具有高的能量转化效率η：

其中，k为机电耦合系数，Q_m：为机械品质因数。此外，能量收集用压电材料还要具有高的能量密度u:

其中，d为压电应变常数，g为压电电场常数，F为作用力，A为面积。对于压电材料而言，高的能量密度主要由高的机电转换系数d×g值来决定。

无量纲品质因数(DFOM)是评价能量收集材料性能的一个综合指标，其可以如下公式表示：

其中，tanδ为介电损耗，s^E为材料的弹性模量。

综上所述，获得具有高发电特性无铅压电能量收集器的关键在于制备同时具有高能量转化效率(η)、机电转换系数(d×g)和无量纲品质因数(DFOM)的无铅压电陶瓷材料。目前，广泛研究的无铅压电材料体系主要包括铌酸盐系、钛酸铋钠基以及钛酸钡基压电陶瓷。其中，铌酸盐系压电陶瓷室温下位于多晶相界处，压电性能优异，但当温度偏离室温后，其性能迅速劣化。而限制钛酸铋钠基压电陶瓷应用的原因，主要是其低的退极化温度。近年来，钛酸钡基压电陶瓷成为无铅压电材料领域新的研究热点。当前研究中主要通过各种改性手段提高其压电常数d₃₃，面向压电制动器应用。与压电能量收集器件的性能要求存在极大差异。因此，亟待开发满足能量收集性能要求的钛酸钡基压电陶瓷。本发明中，通过成分驱动的相结构演化，并结合硬性掺杂机制，在室温下获得了具有三方-正交-四方(R-O-T)三相共存的硬性钛酸钡基压电陶瓷。三相共存和硬性掺杂机制的协同作用，使该钛酸钡基压电陶瓷材料的能量收集性能得到极大提升，为实现压电能量收集器件无铅化，奠定坚实的基础。

发明内容