[发明专利]压电陶瓷材料及其制备方法、压电发电振子

说明书

技术领域

    本发明属于电子材料压电陶瓷技术领域，特别涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法，进一步地，涉及应用于制备压电发电振子。

背景技术

    面对21世纪能源短缺的挑战，努力寻找更可持续性和更环保的新型能源无疑成为解决问题的关键。从环境中采集环境能量转换为电能的技术越来越受到重视。压电发电是利用压电材料的正电压效应将机械振动转变为电能，它的核心元件是压电振子。根据压电陶瓷转换得到的电能具有高电压、低电流特性。电荷生成是瞬态交替的，为达到对电压、电流的要求，应选择合适的压电振子的发电模式，来提高压电振子的机电转换效率及发电能力。

    压电效应分为正压电效应和逆压电效应，所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用而使其介质化，并使其表面产生荷电的效应。反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生变形，称之为逆压电效应。压电发电是利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能的过程。

在2011年第2期《声学与电子工程》公开了一种二元系大功率发射型压电材料，其采用原料Pb3O4、TiO2、ZrO2、S rCO3、CaCO3、 Fe2O3制备压电陶瓷，将氧化物粉料按化学计量比混合，湿法球磨 4 h，干燥后压块，在 Al2O3 坩埚中预烧 2 h，温度为 800℃~900℃，合成后的粉末球磨 6 h，烘干过筛后添加质量分数 5%PVA（聚乙烯醇），30 MPa 下预压，放置 12  h 后砸碎过筛，11  MPa 下加压成型，制成 Ф25 mm×(2.3~3.0) mm 的坯件，800℃下保温 2 h 进行排塑，在 1260℃~1320℃烧结，保温 2  h，烧好的样品机加工成 Ф20  mm×1 mm 的 陶瓷片 ，再经超声清洗后被覆银电极，烧结，保温 2  h，烧好的样品机加工成 Ф20  mm×1 mm 的 陶瓷片 ，再经超声清洗后被覆银电极，烧银温度 800℃，最后在 110℃~120℃的硅油中极化15 mi n，极化场强为 3400 V/mm~3600 V/mm，极化好的样品静置 24 h 后测量。该压电材料的缺点是：机电转换效率较低，电容量小，保存电荷少，不适于用作压电发电振子。

发明内容

    针对上述不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种压电陶瓷材料及其制备方法，其机电转换效率高。

    本发明采用的基本思路是：一种压电陶瓷材料，其特征在于，主配方包括（质量百分比）：Pb₃O₄ 54%~56%、BaCO₃ 12%~14%、Bi₂O₃ 0.4%~0.5%、WO₃ 0.2%~0.3%、TiO₂ 10%~12%、ZrO₂ 18%~20%，主配方各组分总和100%；以主配方全部组份质量质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物及金属氧化物0.7%。

所述的镧系稀土氧化物选自氧化钕，氧化镧或氧化铈中的一种或两种以上混合。

所述的金属氧化物选自氧化锡、氧化铬中的一种或两种以上混合。

所述的压电陶瓷材料应用于制备压电发电振子。

本发明所述的压电陶瓷材料的制备方法具体包括以下步骤：步骤一，按配方称料；步骤二，一次球磨；步骤三，预烧；步骤四，二次球磨。

    本发明所述的所述的压电陶瓷材料制备压电发电振子的方法具体包括步骤：步骤a，造粒干压；步骤b，排胶；步骤c，烧结；步骤d，按尺寸磨片；步骤e，印银；步骤f，烧银；步骤g，极化。

    本发明具有以下有益效果：

第一，通过添加镧系稀土氧化物，有利于提高压电陶瓷材料的稳定性，使得制成的压电发电振子的性能指标稳定，超过原二元素材料指标，使灵敏度增加，谐振频率变化率减小，电容量变化率减小，余震变化率减小，使得成品合格率显著提高，达到86.5％以上。

第二，由于机电转换效率高，电容量大，保存电荷多，适合于用作压电发电振子，实验测得，本发明的压电陶瓷材料机电耦合系数K_p>70%，介电常数ε>4000 ,压电常熟d₃₃ d₃₃>500。

具体实施方式

为了便于对发明的进一步理解，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。