[发明专利]一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法

说明书

本发明属于热释电能量收集领域，更具体地，涉及一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法。本发明提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其通过在热释电陶瓷材料中引入高热导率半导体材料，利用半导体材料的电荷补偿效应来调控自由电荷的传输从而提高复合陶瓷材料的热释电系数，同时半导体材料的高热导率提升了复合陶瓷的温度变化率，从而提高该复合陶瓷材料的能量密度，由此解决现有技术制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容等的技术问题。

技术领域

本发明属于热释电能量收集领域，更具体地，涉及一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法。

背景技术

热释电能量收集能够将环境中广泛存在的废热转换为电能，供电于可穿戴电子设备、植入性医疗器械、无源传感器等。热释电能量收集一个周期输出的能量密度表达式如下：

其中，A，d，R，p，dT/dt分别为热释电陶瓷的电极面积，厚度，负载电阻值，热释电系数，温度变化率。由于A，d，R为确定值，热释电能量密度的大小取决于热释电系数及温度变化率。

为提升热释电能量收集的能量密度，一方面，国内外学者通过在热释电陶瓷中构建准同型相界、铁电-反铁电相变、极性纳米微区等来提升陶瓷的热释电系数；另一方面，研究者将热释电陶瓷表面制备成网孔状、条状、带状、涡旋状等复杂的形状来提升其温度变化率。然而，制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容。因此，提高热释电陶瓷能量密度的关键在于开发出同时具有高热释电系数及温度变化率的铁电材料。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其通过在热释电复合陶瓷材料中引入高热导率第二相物质，利用第二相物质的电荷补偿效应来调控自由电荷的传输从而提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时第二相物质的高热导率提升了复合陶瓷的温度变化率，从而提高该复合陶瓷材料的能量密度，由此解决现有技术制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，在热释电复合陶瓷材料中引入第二相物质，该第二相物质的热导率大于25W m^-1℃^-1，且具有电荷补偿效应；利用该第二相物质的电荷补偿效应加快所述热释电复合陶瓷材料自由电荷的传输来提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时该第二相物质的高热导率能够提升该复合陶瓷材料的温度变化率，从而使得该复合陶瓷材料的能量密度提升。

优选地，所述的方法，包括如下步骤：

(1)将热释电复合陶瓷材料与第二相物质以粉体形式充分混合，得到粉体混合物；

(2)将步骤(1)获得的粉体混合物烘干后过筛，造粒、压片并制成陶瓷坯体；

(3)将步骤(2)得到的陶瓷坯体进行烧结，冷却后得到能量密度提高的热释电陶瓷复合材料。

优选地，所述热释电复合陶瓷材料为0.94Na_0.56-xBi_0.48+x/3TiO₃-0.06BaZr_0.2Ti_0.8O₃，其中0≤x≤0.1。

优选地，所述粉体混合物中第二相物质的质量百分数不大于0.3％。

优选地，所述第二相物质为氮化铝、氧化锌、碳化硅和氮化镓中的一种或多种。

优选地，步骤(1)将热释电复合陶瓷材料与第二相物质以粉体形式采用球磨混合，球磨4～6小时，得到所述粉体混合物。