[发明专利]一种压电能量收集用兼具高和热稳定压电性能的陶瓷材料及制备

说明书

一种压电能量收集用兼具高和热稳定压电性能的陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。该材料组成为xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃‑(1‑x)Pb(Hf_yTi_(1‑y))O₃，x为0.05～0.20,y为0.45～0.50。采用高温固相反应法制备，首先将ZnO和Nb₂O₅煅烧合成ZnNb₂O₆，再加入其它原料，采用湿磨、烘干、煅烧、造粒、压制成型、烧结步骤。本发明提供的压电陶瓷材料在宽温区内同时具有高的压电常数和优异的温度稳定性，以及稳定的发电能力，可满足压电能量收集器在宽温区或高温下的应用要求，具有显著的社会意义和应用价值。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种应用于压电能量收集的在宽温区内兼具高和热稳定压电电荷常数的压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着大数据时代的蓬勃发展，不计其数的无线微传感器被投入使用以进行数据采集传输与智能监测。但是，无线微传感器中使用的传统电池因寿命有限而需要不定期进行更换，造成了大量人力物力消耗及资源浪费。特别是，诸如航天航空、油气勘探等特殊领域中无线微传感器的工作温度上限已达到200℃，甚至300℃，这使得二次更换电池工作难度极大或难以进行。压电能量收集器可捕捉环境中无处不在的机械振动能进行清洁发电，被认为是可为无线微传感器长效供电的最有希望候选者。兼具高居里温度、高且温度稳定压电电荷常数的压电材料是构建高发电能力且可在宽温区内应用的压电能量收集器的理想之选。

目前，弛豫PbTiO₃(简称PT)基压电单晶(压电电荷常数d₃₃1000pC/N)和商业化软性Pb(Zr,Ti)O₃(简称PZT)压电陶瓷(d₃₃500pC/N)因高的压电电荷常数成为压电能量采集器中使用最为广泛的压电材料。然而，高性能的PT基压电单晶和软性PZT分别因固有的低铁电相转变温度(60～120℃)和低居里温度T_c(150～260℃)，它们的安全使用温度分别被限制在150℃和200℃以下，温度过高则因退极化影响压电性能会严重劣化甚至消失，无法满足在200℃以上应用。商业化硬性PZT压电陶瓷虽居里温度一般大于300℃且在200℃以上保持稳定的压电性，但因压电性弱(d₃₃＜400pC/N)，不适用于制备高发电特性压电能量收集器。由高特征温度Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(简称PZN)构建的经典0.2PZN-0.8PZT(简称PZN-PZT)^[1]三元系压电陶瓷材料的居里温度(T_c＝330℃)和压电稳定性可媲美硬性PZT，且室温压电性(d₃₃＝400pC/N)优于硬性PZT，但PZN-PZT压电性与软性PZT相比依然较弱。因此，研制出在室温至200℃以上兼具高和热稳定压电常数的压电陶瓷材料对于促进压电材料发展及器件应用具有重要意义。

本发明设计并利用高温固相反应法制备了一种xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Hf_yTi_(1-y))O₃(简称xPZN-(1-x)PH_yT_(1-y))三元系压电陶瓷材料。其中，最佳PZN-PHT压电陶瓷材料不仅具有高居里温度和室温压电性，而且在10～285℃超宽温区内保持高且稳定的压电电荷常数(d₃₃500pC/N)，其优异的综合性能远优于现有的商业PZT压电陶瓷和已报道的PZN-PZT三元系压电材料；同时，由最佳样品制作的悬臂梁式压电能量收集器在25～250℃保持稳定的输出电流密度。到目前为止，本专利体系的优异压电性能和温度稳定性材料尚未见报道。