[发明专利]一种压电能量收集用兼具宽组分窗口与高换能系数陶瓷材料及制备

说明书

一种压电能量收集用兼具宽组分窗口与高换能系数陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。基体化学组成为(缩写为0.2PZN‑0.8PZT)，并在其中掺入摩尔分数x mol.％的AlN，其中x为0.00～6.00。制备出0.2PZN‑0.8PZT；再加入AlN，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤。本发明，不仅实现了有效调控压电电荷常数和介电常数的相对变化趋势，提升了换能系数，而且大大拓宽了获取了高换能系数的组分窗口，解除了最优性能对特定单一组分的依赖性，对进一步增强压电能量收集器件的机电转换性能及工业化应用具有重大的推进作用。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种压电能量收集用兼具宽组分窗口与高换能系数复相陶瓷材料及制备方法。

背景技术

近年来，随着民用与军用物联网技术的迅速发展，构成网络节点的核心器件——微型无线传感器在其中扮演着越来越重要的角色。然而如何实现微型传感器自供电，以有效解决现有传感器供电布线复杂或特殊极端环境下二次更换电池的困难，使之长时间服役而不失效，则备受世界各国关注。由于太阳能、风能等新能源对环境依赖性过重，其并不能很好的服务于无线传感器。而压电能量收集技术，则是利用压电陶瓷材料具有的正压电效应将环境中无处不在的振动能进行回收，将其转化为可再利用的电能，以供传感器使用。同时，基于高集成度和低能耗技术的发展，微型传感器的平均工作功率目前已经可以降到毫瓦，甚至微瓦级，因而利用压电能量收集技术为其供电已成为可能。

目前，鉴于单晶或者织构压电材料制造工艺繁琐、成本高等缺点，其无法满足传感器大规模应用的需求。而压电陶瓷材料具有制造工艺简单、成本低、可大规模生产等优点，但其电学性能尚需进一步提升以满足能量收集器件的应用要求。

为实现压电能量收集器高效的将振动能转换为电能，这就要求压电陶瓷材料具有高的换能系数(d₃₃·g₃₃)：

d₃₃：压电电荷常数 g₃₃：压电电场常数

ε_r：相对介电常数 ε₀：真空介电常数，8.854×10^-12F/m

从公式(1-1)可以看出，对于压电陶瓷而言，高的换能系数(d₃₃·g₃₃)的获取需要材料兼具高的压电电荷常数(d₃₃)和低的相对介电常数(ε_r)。

基于如何提升压电陶瓷的换能系数，各国相关领域的工作者进行了大量的研究，然而这些研究主要基于固溶体传统改性理念，通过大范围调整PZT基多元固溶体系成分(包括改变基元配比或掺杂元素)，以期在准同型相界(MPB)附近获取高的换能系数。然而，压电电荷常数和相对介电常数在MPB附近往往表现出同增或者同减的变化趋势，根据上述公式(1-1)而言，这种协同变化严重阻碍了换能系数的提升。

再者，目前研究中压电材料的高换能系数往往在特定组分点获取，使得由同种原料构成但组分配比不同的压电陶瓷不能在保证高换能系数的同时，根据现实环境充分发挥自己的优势，严重限制了其实际应用；同时，这也导致了工业化生产技术难度的提升。

综上所述，为了满足压电能量收集器件的高机电转换性能的实际应用要求，在本专利中，主要通过构建新颖的3-0复相结构压电陶瓷材料，来有效调控目前广泛应用的Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃(缩写为PZN-PZT)陶瓷材料体系的压电电荷常数和相对介电常数的变化趋势，并拓宽该材料获取高换能系数的组分窗口，从而大幅提高其在能量收集方面的性能及实际应用能力。

发明内容