[发明专利]基于压电材料的互连三维多孔压电骨架、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种基于压电材料的互连三维多孔压电骨架、制备方法及其应用，所述压电材料是利用固相法制备出钛钐两种元素共掺杂的铁酸铋基压电材料，结构式为Bi_1‑x Sm_xFe_1‑xTi_xO₃，其中0.12≤x≤0.16，所述铁酸铋基压电材料以纤维素做模板经冷冻技术制备出互连三维多孔压电骨架。将制备的互连三维多孔压电骨架应用到柔性压电复合膜中，膜内的压电颗粒均匀分布并且相互连接，应力可以直接在压电颗粒直接传递而不必经过柔性基质，所以具有更大的应力传递能力，相同的外部机械刺激下，能产生更高的输出。

技术领域

本发明涉及压电材料领域，具体设计一种基于压电材料的互连三维多孔压电骨架、制备方法及其应用。

背景技术

基于压电复合膜制备的柔性压电纳米发电机通常由压电填料和柔性基质组成，压电纳米发电机受到外力刺激时，会产生电输出。一般的压电复合膜是直接将柔性基质和压电填料混合制备而成。但是该方法在复合膜固化的过程中，压电填料受重力影响，会聚集在压电复合膜底部，造成压电填料分布不均匀的现象。因此压电发电机在受到外力刺激的时候，大部分应力会被柔性基质所吸收或耗散，只有小部分应力传递到压电填料上，即应力传递能力不高。根据直接压电效应，应力传递能力不高必定导致压电纳米发电机的输出不高。此外，压电材料的压电性也是决定压电纳米发电机的输出的一个重要因素，以往制备高性能压电发电机的压电材料通常含有铅元素，含铅材料将会对环境和人体健康造成巨大的伤害。寻找无铅、经济、制备简单的压电材料一直备受关注。

此外，借助放大电路与比较器电路，利用压电电压信号作为触发信号，控制其他设备的开关。我们将利用本发明制备得压电材料应用到发电机输出上，之后装置安装在灭火器上，消防员可以不必冒着生命危险进入易爆场所进行消防作业，可以有效降低经济损失和人员伤亡。

发明内容

本发明针对目前基于柔性压电复合膜制备的压电纳米发电机应力传递能力不高的问题，提出了一种基于压电材料的互连三维多孔压电骨架、制备方法及其应用，利用纤维素做牺牲模板，通过冷冻干燥技术制备出互连三维多孔压电骨架。并以硅胶为柔性基质，采用原位加热与刮刀涂布方法制备压电填料均匀混合，并相互连接的柔性压电复合膜。提高压电复合膜的应力传递能力，由此提高压电纳米发电机的输出。此外通过固相法制备出钛钐两种元素共掺杂的铁酸铋基压电材料，改善了铁酸铋的压电性，并且材料不含铅，原料价格低廉易得，制备方法简单。

实现本发明的技术方案是：

一种基于压电材料的互连三维多孔压电骨架，所述压电材料利用固相法制备出钛钐两种元素共掺杂的铁酸铋基压电材料，结构式为Bi_1-x Sm_xFe_1-xTi_xO₃，其中0.12≤x ≤0.16，所述铁酸铋基压电材料以纤维素做模板经冷冻技术制备出互连三维多孔压电骨架。

所述的基于压电材料的互连三维多孔压电骨架的制备方法，步骤如下：

（1）将Bi、Sm、Fe、和Ti的氧化物混合，以乙醇为媒介，在行星式球磨机中球磨混合均匀，之后烘干使酒精蒸发得到混合原料；

（2）将步骤（1）中混合原料置于马弗炉中煅烧，煅烧后研磨得到压电陶瓷颗粒；

（3）将步骤（2）得到的压电陶瓷颗粒、纤维素和去离子水磁力搅拌12-16h形成均匀的悬浊液；

（4）将步骤（3）得到的悬浊液置于-20℃环境中冷冻结冰，冻结样品置于冷冻干燥机中升华，通过升华的方式除去冻结样品中的水，就行成了压电陶瓷颗粒均匀分布在纤维素为骨架上的混合物；

（5）将步骤（4）得到的纤维素与压电颗粒的混合物煅烧得到互连三维多孔压电骨架。