[发明专利]一种纳米压电陶瓷能量收集材料及其制备方法

说明书

一种纳米压电陶瓷能量收集材料及其制备方法，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基体化学组成为0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，并在其中掺杂基体材料质量0.5wt.％MnO2，晶粒尺寸在纳米级。以Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2和MnO2为原料，采用湿磨、烘干、高能球磨、放电等离子烧结、线切割、退火等步骤。本发明应用于压电能量收集器件，可以在实现器件微型化的同时，有效地实现将环境中废弃机械能的回收再利用，具有显著的研究意义。

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微型压电能量收集器件的具有纳米晶粒尺寸、高非谐振状态下品质因数、高机械品质因数和高力学性能的压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的不断发展，石油、煤炭等不可再生化石能源日益短缺，如何发展新型的绿色能源，已成为许多国家的能源发展战略的重要组成部分。机械振动能在环境中普遍存在，可以作为清洁能源加以利用。研究发现，压电能量收集器基于压电材料的正压电效应，可以将环境中无处不在的机械振动能转化为电能，实现机械能的回收再利用。

同时随着器件小型化、叠层化的发展趋势，要求降低陶瓷晶粒尺寸，制备具有纳米尺度的细晶压电陶瓷。

为了满足压电能量收集器件的要求，压电陶瓷需要具有高的非谐振状态下品质因数、高机械品质因数:

非谐振状态下品质因数FOMoff可用如下公式表示：

d：压电应变常数 g：压电电场常数 tanδ：介电损耗

ε0：真空介电常数 εr：相对介电常数

通过公式可以看出，具有高的非谐振状态下品质因数的材料可以通过高的压电应变常数d、低的介电常数εr和低的介电损耗tanδ的获得。

机械品质因数Qm是反映机械损耗大小的一个参数。Qm越大，机械损耗越小。

其次，应用于能量收集器的过程中，PZT基压电陶瓷材料要经受大量的机械振动和应力冲击，往往表现出低的力学性能，影响材料的使用。所以，如何改善PZT基陶瓷的力学性能是一项亟待解决的问题。为了满足压电能量收集器件力学性能的要求，压电陶瓷需要具有高的维氏硬度Hv和高的断裂韧性KIC。

断裂韧性KIC可用如下公式表示：