[发明专利]一种呈纳米线分布的无铅压电陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及压电材料，尤其涉及一种无铅压电陶瓷,进一步涉及呈纳米线分布的无铅压电陶瓷线以及制备方法和应用。其特征是采用了无铅、低成本氧化物为原料，形成了组合为Zn_xAl_{{2/3‑2/3(x+y)}}Ca_yTi_0.5Zr_0.5O₃的压电陶瓷，该压电陶瓷的晶粒呈纳米线状分布，外界微弱的振动即可使呈纳米线分布的压电陶瓷发生显著的形变，从而进行高灵敏度的发电。如用于玻璃、路面防护板、空压机房隔音板，利用呈纳米线分布的无铅压电陶瓷高灵敏性，通过声音产生的振动发电。进一步，提供了通过纳米纤维引导，使晶粒的生长形成纳米线的制备方法。

技术领域

本发明涉及压电材料，尤其涉及一种无铅压电陶瓷,进一步涉及呈纳米线分布的无铅压电陶瓷线以及制备方法和应用。

背景技术

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，在机械力的作用下发生形变（伸长和压缩）而引起带电粒子的相对位移，从而使得晶体的总电矩发生变化而产生电能。该原理最早是1880年居里兄弟发现，在石英晶体的特定方向上施加压力使石英晶体表面出现电荷，从而开启了压电材料的研究。

近年来，随着工业化社会的快速发展，对能源需求猛增。依靠石油、煤、天然气等不可再生为能源的发展模式受到严重的限制。发展可再生能源，实现能源守恒循环成为关键。压电材料作为机械能-电能转化材料，成为回收机械能，实现能量转化的关键材料。具有环保、绿色、安全的特点，符合可持续发展的要求。压电发电是依靠外界极微弱的振动使压电材料发生变形而发电，实现各类机械能的回收利用。其可利用的振动源无处不在，道路、运动场、工厂振动的设备、空压站产生的噪音、窗户封闭的噪音等均可以作为回收能源的振动源。

压电材料先后发展了石英晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电单晶、聚合物等不同种类的材料，并在传感器、超声探针、水听器、振荡器等领域广泛应用。但在发电领域，由于材料成本和压电性能的限制，只应用于打火等小型的设备上。

石英晶体由于压电性能较弱，因此其能量转化弱，难以大规模作为发电材料。钛酸钡陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了度提高。但钛酸钡压电陶瓷的压电性随温度和时间的变化大，不能满足广泛的发电要求。近些年，锆钛酸铅PbZrO₃-PbTi0₃(PZT)固溶体由于具有非常强及稳定的压电性能，在发电领域开始尝试使用。但在使用过程中由于锆钛酸铅固溶体是由几微米甚至几十微米的多晶粒组成的多晶材料，因此对微弱的机械振动敏感性较差，只能通过更薄的基片以提高灵敏度。而陶瓷的脆性又致使薄片易损坏，这大大限制了锆钛酸铅压电陶瓷用于发电材料。

另外，压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中含有的氧化铅有毒，高温下易挥发，使用及后续废弃处理过程中都会给环境和人类生活带来危害。并不适合作为规模化推广应用。

发明内容

针对目前压电陶瓷用于规模化发电材料存在成本高、铅污染、压电灵敏度差的缺陷，本发明提供一种呈纳米线分布的无铅压电陶瓷。其特征是采用了无铅、低成本氧化物为原料，形成了组合为Zn_xAl_{{2/3-2/3(x+y)}}Ca_yTi_0.5Zr_0.5O₃的压电陶瓷，该压电陶瓷的晶粒呈纳米线状分布，外界微弱的振动即可使呈纳米线分布的压电陶瓷发生显著的形变，从而进行高灵敏度的发电。进一步，提供了通过纳米纤维引导，使晶粒的生长形成纳米线的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：