[发明专利]一种应用于能量收集器件的无铅压电陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于能量收集器件的无铅压电陶瓷材料及制备方法，属于压电陶瓷材料领域。

背景技术

随着无线技术及微机电技术的日益发展，以化学电池为主，需要定期更换的传统供能方式的弊端日渐显露。压电能量收集器是一种新型环境能量采集技术，该装置基于压电材料的正压电效应，将环境中几乎无处不在的机械振动能转化成可再利用的电能，从而实现微机电器件如无线传感器节点等的自供电，因此具有广阔的应用前景。高能量密度压电材料的获得是制备压电能量收集器的关键，因此开展适合于能量收集器的高能量密度压电材料研究尤其重要。

目前广泛用于能量收集器件的压电陶瓷材料主要为锆钛酸铅(PZT)基体系。近年来随着世界各国对环境保护和可持续发展的日益重视,发展替代有毒有害铅基材料的新型高性能无铅压电陶瓷已成为各国陶瓷科学家的紧迫任务之一

为了满足压电能量收集器件的要求，压电陶瓷必须具有较高的能量密度μ，即

μ＝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

由以上公式可以看出，对于材料本身来说，较高的能量密度应由机电转换系数(d*g)来决定，又因为g＝d/ε^T，所以高机电转换系数(d*g)的材料需要同时具备高压电常数d和低介电常数ε^T。但是常规固相工艺合成的无铅压电陶瓷材料很难同时兼具高压电常数和低介电常数，因而不能满足能量收集器件对材料高能量密度的性能要求。例如，2013年，高丽大学的In-Tae Seo等人尝试采用常规固相工艺制备面向压电能量收集器应用的铌酸钾钠KNN基无铅材料(参考文献：In-TaeChang-HoiDaniel Song,^§Min-SooBo-YunSahnYoung-Sik Kim,^§Tae-Hyun Sung,^‖and Hyun-Cheol“Piezoelectric Properties of Lead-free Piezoelectric Ceramics and Their Energy Harvester Characteristics，”J.Am.Ceram.Soc.,96[4]1024–1028(2013))。结果显示，尽管材料具有较高的机械品质因数Q_m(803)和较低的介质损耗tanδ(0.009)，但是换能系数(d·g)很低(4911×10^-15m²/N)，无法满足高性能压电能量收集器制造需要。

本发明将溶胶凝胶工艺与掺杂技术有机结合，通过在液相环境中构建Mn掺杂Na_0.46K_0.46Li_0.08NbO₃胶体，实现原料与掺杂物在分子态的均匀混合，从而在较低热处理温度下合成高活性掺杂超细纳米粉体，并进一步烧结制备出满足压电能量收集器件使用要求的高能量密度无铅陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于能量收集器件的具有高能量密度的无铅压电陶瓷材料及其制备方法。本发明中制备的Mn掺杂Na_0.46K_0.46Li_0.08NbO₃压电陶瓷材料具有较高的能量密度，能满足能量收集器件的性能要求。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)决定。

本发明上述具有高能量密度的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，是Mn掺杂Na_0.46K_0.46Li_0.08NbO₃，基体化学组成为：Na_0.46K_0.46Li_0.08NbO₃—x％Mn，x的数值为0.5～3。

上述具有高能量密度的无铅压电陶瓷材料纳米粉末的制备方法，其特征在于通过溶胶凝胶掺杂技术得到，具体包括以下步骤：

(1)将五氧化二铌与氢氧化钾(优选按摩尔比1：10)混合研磨后放置于铂坩埚中经350℃煅烧2～3h，所得产物溶解于去离子水后滴加硝酸至pH＝2～3,获得白色沉淀，离心收集沉淀并用去离子水洗涤沉淀数次去除钾离子；将沉淀溶解于草酸溶液中，加热搅拌至澄清，过滤获得淡黄色透明可溶性铌溶液；