[发明专利]一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系陶瓷材料及制备

说明书

一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基本化学组成为(0.2‑x)PZN‑xPIN‑0.8PZT，x为0.000～0.100。以ZnO、In₂O₃、Nb₂O₅、Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂为原料，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤。本发明实现了有效调控压电电荷常数和介电常数的非协同变化趋势，为进一步发展高性能压电能量收集材料提供了全新的设计思路，并且对大幅度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，具体涉及一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料及制备方法。

背景技术

近年来，无线传感网络得到了快速的发展，尤其在环境控制监测系统、嵌入式系统、军事安全应用系统和野外动物跟踪器件等方面得到了广泛的应用。由于无线传感器传统的布线供电或者更换电池的方法成本过高，所以如何实现无线传感器自供电是当今世界各国研究的热点。然而太阳能、风能等新能源对环境依赖性过重，其并不能在无线传感器自供电方面得到良好的应用。压电能量收集技术是利用压电材料的正压电效应将环境中的机械能转换为电能，且具有机电转化效率高、输出电压高、不受电磁干扰、无需外加偏置等优点，因而在无线传感领域具有广阔的应用前景。

目前，应用于压电能量收集器件的材料主要以压电单晶为主，但其制备成本高、工艺性复杂、可加工性差，因而无法大规模应用。相较于前者而言，常规压电陶瓷材料具有制备成本低、工艺性简单、可大规模生产等优点，因而可以满足能量收集器件的大规模应用需求。

为了满足压电能量收集器的实际应用要求，压电陶瓷材料必须具有高的换能系数(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通过公式(1-1)可以看出，对于压电陶瓷材料来说，高的换能系数(d₃₃·g₃₃)可以通过高的压电电荷常数(d₃₃)和低的相对介电常数(ε_r)来获得。