[发明专利]一种陶瓷材料作为高温稳定压电能量收集材料的应用及制备方法

说明书

一种陶瓷材料作为高温稳定压电能量收集材料的应用及制备方法，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)BiScO₃‑xPbTiO₃，x和1‑x分别表示PbTiO₃和BiScO₃的摩尔分数，x取值为0.55～0.70，作为高温稳定压电能量收集材料的应用具有高换能系数、低换能系数温度变化率；在200℃时换能系数d₃₃×g₃₃＝8950×10^‑15m²/N；在25～300℃宽温度区间内，换能系数温度变化率(d₃₃×g₃₃)_{N,25‑300℃}≤±6％。本发明应用于高温压电能量收集器件，可实现高效回收再利用高温境中废弃的振动能，具有显著的社会意义和经济价值。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，具体涉及应用于高温压电能量收集器件的，具有高换能系数，低换能系数温度变化率的陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着能源短缺问题的日益严重，新能源的开发和利用成为各国关注的重点。压电能量收集器件可高效地将环境中废弃的振动能回收再利用，对于实现传感器等微器件的自供电具有重大意义，已经广泛应用于医疗、通讯等生活、工作领域。目前，最典型的压电材料是PZT体系材料，其居里温度约为180～386℃，但实际安全使用温度被限制在约150℃左右，温度过高就会出现性能的严重劣化，因而在一些高温领域，如外太空探索、石油勘探、汽车工业等，温度高达200℃、甚至300℃的环境中，无法使用。

一般说来，材料居里温度(T_c)越高，其使用温度越高。在压电陶瓷材料体系中，居里温度高的材料主要有铋层结构体系、钨青铜结构体系，但它们的压电活性较低，无法满足大功率压电能量收集器件的要求。而钙钛矿结构中，居里温度高，且压电活性高的材料主要是BiScO₃-PbTiO₃(简称BSPT)材料体系，因此BSPT材料体系是开发高温压电能量收集材料的合适之选。目前，人们对BSPT的研究主要集中在发展高压电应变常数的致动器材料领域，要求材料具有高的压电应变常数(d₃₃)，这与制作压电能量收集器要求的性能参数有所不同。

对于高温压电能量收集材料来说，技术关键首先是具有高居里温度，同时还必须满足压电能量收集器件的要求，即压电陶瓷必须具有高的能量密度(u)，可用公式(1)来表示：

其中，d为压电应变常数；g为压电电场常数；F为所受外力；A为受力面积。ε₀为真空介电常数，ε^X为应力作用下的介电常数。由公式(1)可以看出，将一个固定电极面积和厚度的压电材料应用到能量收集器件中，高的能量密度主要由高的换能系数(d×g)来决定。

另外，对于高温压电能量收集器来说，在实际使用中要求其换能系数(d×g)在宽温度区间内(25～300℃)保持稳定(换能系数温度变化率不超过10％)，以保证器件的工作温度稳定性。因此，以200℃为基准，来考察压电陶瓷材料能量收集性能的温度稳定性，即将换能系数随温度的稳定性定义为换能系数温度变化率(Normalize(d×g)，简写为(d×g)_N)，可以用(2)式来表示：

其中，(d×g)_t为试样在某温度t下的换能系数(25℃≤t≤300℃)；(d×g)_200℃为试样在200℃时的换能系数。可以看出，换能系数温度变化率越小，材料的温度稳定性越好。

本专利中，以BSPT为目标体系，通过设计烧结工艺制度，调控晶粒组织结构，利用传统固相法，制备出在25～300℃的宽温区间内具有高换能系数、换能系数温度变化率小于6％的高温稳定压电陶瓷材料。

发明内容