[发明专利]一种应用于宽温区内能量收集的无铅压电陶瓷材料及制备

说明书

一种应用于宽温区内能量收集的无铅压电陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基体化学组成为(1‑x)(K_0.48Na_0.52)NbO₃‑x(Bi_0.5Li_0.5)ZrO₃,其中x的数值为0.00～0.04，优选其中x数值为0.035的材料体系。按相应计量比配料，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤制备样品。本发明实现了无铅压电能量收集器在宽温区具有优异的发电特性，对压电能量收集技术工业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宽温区内能量收集的无铅压电陶瓷材料及制备。

背景技术

太阳能、风能、潮汐能等生态能源的收集利用技术虽然日渐成熟，但是其受自然环境影响明显，而基于正压电效应的压电能量收集技术，受自然环境影响较小，而且还具有功率密度高、体积小、易制造、可集成等优点，近年来受到广泛关注并快速发展。

压电能量收集器件的核心部分是压电材料，压电材料在外力作用下产生电荷，产生的能量密度(u)可以表示为:

其中，d为压电电荷常数，g为压电电压常数，F为作用力，A为材料受力面积。因此，高的能量密度主要由高的换能系数d×g值来决定。此外，g与d和介电常数(ε)紧密相关,其关系可以表示为：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数。因此，结合公式(1)和(2)，换能系数还可以表示为：

另外，压电能量收集器件往往工作在苛刻的高温环境中，这就要求压电材料不仅需要具有高的换能系数，而且还需要换能系数具有良好的温度不敏感性，为此应构建d和ε在宽温区内协同稳定的压电材料体系。

目前，具有钙钛矿结构的高温压电陶瓷材料主要为铅基压电材料，由于铅的毒性会对生态环境和人类健康造成严重危害，寻找可以在宽温区内稳定工作的无铅压电陶瓷材料是当今的研究热点。铌酸钾钠基(KNN)无铅压电陶瓷由于具有理想的压电性能和高的居里温度，被视为在宽温区领域应用的潜在候选者。然而，KNN基陶瓷通常在多晶型相界处展现出优异的压电性能，而多晶型相界同时受到组分和温度的影响，因此KNN的压电性能对温度变化敏感。虽然通过复相策略、设计多层结构等方法可以提升KNN压电常数的温度稳定性，但是要实现温度不敏感的换能系数，需要压电常数和介电常数在宽温区内保持协同稳定。因此，为构建应用于宽温区能量收集的KNN基压电陶瓷材料，本发明通过精细的成分调控，构建出弥散正交-四方(O-T)多晶型相界，使得d和ε在宽温区实现协同稳定，从而得到温度不敏感的换能系数实现了无铅陶瓷材料在宽温区内的压电能量收集。

发明内容

本发明目的在于提供一种可应用于宽温区内压电能量收集器的无铅压电陶瓷材料及其制备方法，制备的无铅压电陶瓷同时具备高的和温度不敏感的换能系数。并通过悬臂梁型能量收集器表征了其宽温区内发电特性。为了实现在宽温区范围内具有稳定的能量收集性能，本发明中通过成分调控，构建出弥散正交-四方(O-T)多晶型相界，使得d和ε在宽温区实现了协同稳定，从而得到温度不敏感机电转换系数，实现了无铅陶瓷材料宽温压电能量收集。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

本发明的具有宽温区发电特性的无铅压电材料，其特征在于，基体化学组成为：(1-x)(K_0.48Na_0.52)NbO₃-x(Bi_0.5Li_0.5)ZrO₃，x的数值为0.00～0.04，优选其中x数值为0.035的材料体系。