[发明专利]一种具有弛豫型纳米线的压电陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉及压电材料领域，尤其涉及一种具有弛豫型纳米线的压电陶瓷,其特征是钙钛矿结构的压电陶瓷饼中镶嵌弛豫型陶瓷纳米线，提高了阵列频率，降低了阵列损耗，具有灵敏的压电响应，适合于微振动发电。进一步涉及一种先进的制造方法，借助钙钛矿结构的压电陶瓷在烧结中已形成裂纹的特点，通过进一步将裂纹扩大，作为形成纳米线的模板，使BaTiO₃进入微裂纹，在微波条件下沿裂纹生长晶粒形成弛豫型纳米线。不仅修复了裂纹，而且形成了纳米线，为规模化制备高响应发电材料提供了较佳的途径。

技术领域

本发明涉及压电材料，尤其涉及一种具有弛豫型纳米线的压电陶瓷,进一步涉及一种先进的制造方法。

背景技术

近些年来，人们因受环境困扰，不断探寻新能源和可再生清洁能源。因此，利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究受到极大地关注。根据已有研究，对压电材料的实验都已经证明压电材料可以对各类机械压力、振动做出响应，从而产生电荷。这为压电材料在微机械能发电的应用提供了技术支持。

然而,目前由于受材料种类、成本、性能的限制，压电材料主要应用于精密驱动与传感、微电子制造、生物工程、电子打火等领域应用。在规模化发电领域应用，对压电材料的低成本规模生产、发电效率均提出较高的要求。

目前常规的压电材料主要有石英晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电单晶、聚合物等，但由于灵敏度有限，通常通过掺杂贵金属使其压电性能得到了提升。如出现了铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT) 以及铌锌酸铅- 钛酸铅(PZN-PT) 弛豫型铁电压电单晶，其应变量是PZT 陶瓷的10 倍以上，压电系数d33 和机电耦合系数k33 比通常为600pC/N 和70% 左右的PZT 压电陶瓷要高出许多，分别达到2500pC/N 和92%，以上对于应用于并在传感器、超声探针、水听器、振荡器、航空等领域较为合适。但应用于大规模的发电，依靠贵金属改性的压电材料显然从成本考虑是不合适的。

钙钛矿结构铁电体是目前研究最为广泛的一类铁电体，其结构简式为ABO3。由于钙钛矿结构特有的几何松散性能够容纳不同尺寸的掺杂离子，所以不同A 位或B 位以及A位和B 位复合能够得到许多复合钙钛矿结构固溶体和化合物，这类化合物自然成为许多学者竞相研究的对象。其中，前苏联学者等首次合成出具有弛豫性能的铌镁酸铅掀起了弛豫铁电体研究的新浪潮。同样，受限于成本，在大规模发电中难以应用。

锆钛酸铅PbZrO₃-PbTi0₃(PZT)固溶体由于具有非常强及稳定的压电性能，在发电领域开始尝试使用。但在使用过程中由于锆钛酸铅固溶体是由几微米甚至几十微米的多晶粒组成的多晶材料，因此对微弱的机械振动敏感性较差，只能通过更薄的基片以提高灵敏度。而陶瓷的脆性又致使薄片易损坏，这大大限制了锆钛酸铅压电陶瓷用于发电材料。

发明内容

针对目前规模化制备的PbTiO3压电陶瓷用于发电致密度低、灵敏度低、易碎的缺陷，本发明提供一种具有弛豫型纳米线的压电陶瓷，其特征是钙钛矿结构的压电陶瓷饼中镶嵌弛豫型陶瓷纳米线，从而提高了阵列频率，降低了阵列损耗，具有灵敏的压电响应，适合于微振动发电。进一步提供了在钙钛矿结构的压电陶瓷饼的裂纹中镶嵌弛豫型陶瓷纳米线的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有弛豫型纳米线的压电陶瓷，其特征是钙钛矿结构的压电陶瓷饼中镶嵌弛豫型陶瓷纳米线，所述钙钛矿结构的压电陶瓷饼是由氧化铅、二氧化钛、二氧化锆烧结而成的压电陶瓷；所述弛豫型陶瓷纳米线是由BaTiO₃晶粒生长形成。

所述具有弛豫型纳米线的压电陶瓷，具体由如下方法制备而成：

（1）BaTiO₃浆体准备：将BaCO₃和TiO₂按照摩尔比1:1 称取，与适量水在研磨机中研磨成浆体，研磨质量以颗粒料小于100nm为标准；