[发明专利]一种具有宽温稳定换能系数的高温压电能量收集陶瓷材料及制备

说明书

一种具有宽温稳定换能系数的高温压电能量收集陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基体化学组成为zBiScO₃‑yBi(Zn_2/3Ta_1/3)O₃‑xPbTiO₃(0.605≤x≤0.64，0.005≤y≤0.03，z＝1‑x‑y)。采用高温固相法制备，首先按化学计量比称量相应原料，然后依次进行湿磨、烘干、煅烧、造粒、压制成型、烧结。本发明提供的高温压电陶瓷材料在宽温区内兼具高和热稳定的换能系数，有利于增强高温压电能量收集器件工作稳定性，具有显著的社会意义和应用价值。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种高温压电能量收集用在宽温区具有高且温度稳定换能系数的压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

航天航空、核能转换、无人驾驶等先进领域的发展显著促进了人类的进步。与此同时，大量的无线传感器被投入到这些领域中，以进行结构健康监测、数据采集与传输等，从而实时反馈设备运行状态，保证其安全性。这些领域中微传感器工作环境温度不小于200℃，甚至达到300℃，对电能供应方式提出了巨大的挑战。现有供电方式主要以电池为主，但因其寿命有限、不耐高温等固有缺陷，难以满足上述供能需求。压电能量收集器基于压电陶瓷的正压电效应，可捕获环境中广泛存在的废弃振动能实现清洁发电，是为无线传感器长效供电的非常有希望的机电转换装置。

目前，压电市场中占据主导地位的Pb(Zr,Ti)O₃基钙钛矿压电材料虽具有高压电活性，但其居里温度不超过386℃，安全使用温度被限制在200℃，温度过高因发生退极化而压电性严重劣化，严重限制了其在高温领域的应用。而钙钛矿结构的BiScO₃-PbTiO₃材料，因兼具高居里温度和高压电活性，成为高温压电领域的主要研究体系。

对于高机电转换能力的高温压电能量收集材料而言，其不仅要具有高的居里温度，还要具有高的能量密度(u)。能量密度(u)表达式为：

其中，d·g为压电陶瓷的换能系数，A为压电陶瓷受力面积，F为外部激励力。由公式(1)可知，换能系数主导着能量收集材料的能量密度。

此外，考虑到高温压电能量收集器在实际应用过程中还面临温度变化的冲击，压电材料的换能系数在宽温度区间(25～300℃)内保持稳定(波动率(η)≤±15％)，有利于保证器件安全可靠运行。因此，以200℃为基准，来评估高温压电能量收集材料换能系数的温度稳定性，换能系数(d·g)的温度波动率(η)可表示为：

其中，(d·g)_T为材料在某测试温度下的换能系数，(d·g)_200℃为材料200℃时的换能系数。

本发明中，以BiScO₃-PbTiO₃(简称为BS-PT)为基体，引入Bi(Zn_2/3Ta_1/3)O₃基元，构建了zBiScO₃-yBi(Zn_2/3Ta_1/3)O₃-xPbTiO₃(简称为zBS-yBZT-xPT)三元高温压电陶瓷材料体系。其中，最佳BS-BZT-PT样品不仅具有高的居里温度，而且在25～300℃具有高且温度稳定的换能系数(d₃₃·g₃₃＝12481×10^-15m²/N，η≤±15％)，远优于专利CN 107698252 A中0.36BS-0.64PT压电材料。到目前为止，本专利体系的优异换能系数和温度稳定性材料尚未见报道。

发明内容