[发明专利]一种应用于能量收集器件的压电陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种可应用于能量收集器件的具有高能量密度和高断裂韧性的压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

能源与环境是21世纪人类所关注的两大主题。由于不可再生资源的逐年消耗，能源问题被各国政府、学术界乃至广大公众所共同关注，开发新能源已经成为当今世界的一项重要研究课题。如何将环境中废弃的能量收集并转换为可再利用的电能作为新能源发展的主要方向之一备受关注。其中，压电能量收集器件基于压电材料的正压电效应，将环境中产生的机械能转换为电能，具有机电转化效率高、输出电压高、不受电磁干扰、无需外加偏置等特点，因而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，但其制造工艺烦琐、成本高、无法大规模应用。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，但是，其电学和力学性能往往较低无法满足能量收集器件的应用要求。为了满足压电能量收集器件的要求，压电陶瓷必须具有高的能量密度和高的力学性能:

首先，能量密度u可用如下公式表示：

u=1/2(d*g)(F/A)²

d：压电应变常数    g：压电电场常数

F：作用力          A：面积

通过公式可以看出，对于材料本身来说，高的能量密度主要由大的机电转换系数(d·g)来决定。又因为g＝d/ε^T，所以具有高的机电转换系数(d·g)的材料可以通过高的压电常数d和低的介电常数ε^T获得。

其次，应用在能量收集器件中的压电陶瓷材料需要承受大量的机械振动和应力的冲击，因此对于材料的断裂韧性（K_IC）提出较高的要求。陶瓷材料的断裂韧性与其化学组成、晶体结构、气孔率、晶粒尺寸以及工作环境等密切相关。

综上所述，为了满足压电能量收集器件的高能量密度和高断裂韧性的要求，在本专利中，主要通过掺杂与复合手段调控目前广泛应用的锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料体系，提高其能量收集和断裂韧性。将PZT与铌锌酸铅(PZN)进行复合形成的三元陶瓷体系具有较宽的准同型相界区(MPB)，在该区域有利于获得高的压电常数(d₃₃)；此外，过渡系金属离子掺杂能够调整材料的微观结构，进而调控其断裂韧性。因此，本发明就是基于上述所述的具有优异压电性能的PZT陶瓷，通过将PZT与PZN按8:2进行复合，并掺杂进金属碳酸盐CoCO₃，进一步提高PZT压电陶瓷的能量密度和断裂韧性，是潜在的应用于能量收集器件的陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用于能量收集器件的具有高能量密度和高断裂韧性的压电陶瓷材料及其制备方法。本发明的压电陶瓷具有高的能量密度和高的断裂韧性，能满足能量收集器件性能要求。所谓的能量密度是指在单位空间或质量中所含能量的大小，具体到压电陶瓷材料，高能量密度主要由大的机电转换系数(d·g)来决定。而高的断裂韧性不仅能够有效的延长能量收集器件的寿命，而且还能提高陶瓷材料的可加工性，满足不同形状器件的要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

本发明提供的一种应用于能量收集器件的压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的基体化学组成为：Pb_xSr_1-x(Zn_1/15Nb_2/15Zr_yTi_0.8-y)O₃，并在其中掺杂基体材料质量z wt%的CoCO₃，其中x的数值为0.90~1.00，y的数值为0.30~0.50，z的数值为0.00~1.00。

本发明上述具有高能量密度和高断裂韧性的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，通过二步预烧法制备得到，具体包括以下步骤：

（1）合成铌铁矿前驱体ZnNb₂O₆，按照摩尔比例1:1取原料ZnO和Nb₂O₅，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨4小时；球磨后所得浆料进行烘干，然后在空气气氛下1000℃煅烧4小时后随炉冷却；