一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料及制备方法技术

一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料及制备方法，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基体化学组成为0.2PZN‑0.8PZT，并在其中掺入体积x vol.％的Al2O3，x为0.25～0.65。以ZnO、Nb2O5、Pb3O4、ZrO2、TiO2为原料，制备出0.2PZN‑0.8PZT；再加入Al2O3，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤。本发明专利技术为进一步发展高性能压电能量收集材料提供了全新的视角，并且对大幅提高能量收集器件的机电转换性能，使之更加有效地回收再利用废弃的振动能量，更加节能、环保、安全，更加具有显著的经济和社会价值，都具有重大的推进作用。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料及制备方法
本专利技术属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种可应用于能量收集器件且具有高机电转换系数的0-3复相结构压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
能源与环境是21世纪人类所关注的两大主题。当今世界化石能源日益短缺，寻找和发展可持续性的绿色环保新能源并进行高效采集已成为各国政府所面临的紧迫任务之一。而如何高效地将环境中废弃的能量收集并转换为可再利用的电能则作为新能源发展的主要方向之一备受关注。其中，压电能量收集器件基于压电材料的正压电效应，可将环境中产生的机械能转换为电能，具有机电转化效率高、输出电压高、不受电磁干扰、无需外加偏置等特点，因而具有广阔的应用前景。目前，应用于压电能量收集器件的材料主要以压电单晶为主，但制造工艺繁琐、成本高、无法大规模应用。压电陶瓷材料具有制造工艺简单、成本低、可大规模生产等优点，但是，其电学性能往往较低，无法满足能量收集器件的应用要求。为了满足压电能量收集器件的要求，压电陶瓷必须具有高机电转换系数:首先，机电转换系数d·g可用如下公式表示：d：压电应变常数g：压电电场常数εT：介电常数ε0：真空介电常数，8.854×10-12F/m通过公式可以看出，对于材料本身来说，高的机电转换系数(d·g)的材料可以通过高的压电常数d和低的相对介电常数εT获得。再者，就现有报道针对能量收集器用压电材料改性研究以美、日、韩科学家工作为主，但其均是基于传统思路，通过大范围调整PZT基多元固溶体系成分(包括改变基元配比或掺杂元素)，在准同型相界(MPB)线附近来寻求高换能系数。然而这些工作中换能系数(d·g)提升的幅度非常有限，主要原因在于MPB处自发极化数目多，电畴活性高，虽有利于获得高压电应变常数d，但同时介电常数εT也显著增大。尽管MPB附近的材料组成适用于压电致动器和压电换能器等电子陶瓷器件使用需要，但根据d·g公式，可以看到，高压电与高介电特性的并存不利于材料换能系数的有效提升，难以满足高性能压电能量收集器的应用需求。因此，必须要突破传统基于压电固溶体的材料设计理念，引入新的材料设计思路来寻找高换能系数压电材料的设计窗口。综上所述，为了满足压电能量收集器件的高机电转换性能的要求，在本专利中，主要通过构建新颖的0-3复相结构压电陶瓷材料，来进一步调控目前广泛应用的Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3(缩写为PZN-PZT)陶瓷材料体系，大幅提高其在能量收集方面的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是进一步调控PZN-PZT陶瓷材料体系，大幅提高其在能量收集方面的性能。在于采取将高绝缘与高熔点的Al2O3顺电相作为第二相引入PZN-PZT钙钛矿铁电极性基体中构建新颖的0-3复相结构，利用Al2O3第二相的低介电常数大幅弱化复相材料整体的介电常数，同时基于介电体/压电体界面极化稳定复相材料宏观压电应变常数，从而在特定组成获得高机电转换性能。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案。本专利技术提供的一种应用于能量收集器件的压电陶瓷材料，其特征在于，采取将高绝缘与高熔点的Al2O3顺电相作为第二相引入PZN-PZT钙钛矿铁电极性基体中构建0-3复相结构，PZN-PZT钙钛矿铁电极性基体的化学组成为：0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3(简记0.2PZN-0.8PZT)，其中掺入的第二相Al2O3为压电陶瓷材料体积的xvol.％，其中x的数值为0.25～0.65，优选0.4。进一步Al2O3在晶界处。本专利技术上述具有高能量密度的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，通过二步混合法制备得到，具体包括以下步骤：(1)合成0.2PZN-0.8PZT基体粉料，按照相应化学摩尔计量比称取原料：ZnO、Nb2O5、Pb3O4、ZrO2、TiO2，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨12小时；球磨后所得浆料进行烘干，然后在空气气氛下850℃煅烧2小时后随炉冷却，再将煅烧后所得产物0.2PZN-0.8PZT进行二次球磨，球磨后所得浆料进行烘干；(2)按照该陶瓷材料体积分数xvol.％Al2O3和(1-x)vol.％[0.2PZN-0.8PZT]基体粉料(0.25≤x≤0.65)，将称量好的两种粉料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨至少12小时，然后干燥，得到相应陶瓷粉体；(3)然后采用聚乙烯醇水溶液作为粘结剂进行造粒，压制成型，于560℃排除粘结剂，然后在1000℃烧结，保温2小时，得到陶瓷材料。优选：上述步骤(3)粘结剂的用量优选为每10g陶瓷粉体对应1.5ml粘结剂，粘结剂的质量浓度为5％。成型压力为100MPa。烧结后的陶瓷片，经过抛光处理之后进行力学性能的测试，然后被上银电极，在120℃的硅油中，在35kV·cm-1的电压下极化30min。然后对样品进行电性能的测试。其中，最佳样品为：99.6vol.％0.2PZN-0.8PZT/0.4vol.％Al2O3，其性能可达到：d33＝264pC/N，εT＝834.94，d33·g33＝9427.7×10-15m2/N，可以满足能量收集器件的要求。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术的具有高机电转换系数(d33·g33)的压电陶瓷材料，可有效提高能量收集器件的机电转换效率，是潜在的一种应用于能量收集器件的压电陶瓷材料。(2)本专利技术的具有高机电转换性能的压电陶瓷材料结构稳定、制备方法简单、成本低、易于操作。本专利技术应用于能量收集器件，可以有效地回收再利用环境中废弃的能量，且绿色环保、安全、可持续，具有显著的经济及社会价值。(3)本专利技术中提出的复相材料设计方法，突破了传统基于压电固溶体的材料改性理念，为进一步发展高性能压电能量收集材料提供了全新的视角。总之，本专利技术不仅能够获得高换能系数材料体系，而且能为压电能量收集器材料设计提供新的技术思路与理论储备；同时，有助于深刻理解压电能量收集器材料设计中的瓶颈问题，为获得具有自主知识产权，国际领先的高换能系数材料奠定坚实基础。附图说明图1为本专利技术x＝0.40vol.％时，即99.60vol.％[0.2PZN-0.8PZT]/0.40vol.％Al2O3的XRD图谱；图2为本专利技术x＝0.40vol.％时，即99.60vol.％[0.2PZN-0.8PZT]/0.40vol.％Al2O3的SEM图；图3为本专利技术组成为(1-x)vol.％[0.2PZN-0.8PZT]/xvol.％Al2O3，x＝0.25～0.65vol.％时，介电常数εT、压电应变常数d33及机电转换系数(d33·g33)的数据图。具体实施方式下面通过实施例进一步阐明本专利技术的实质性特点和显著优点。应该指出，本专利技术决非仅局限于所陈述的实施例。本专利技术提供的具有高机电转换性能的复相压电陶瓷材料，其化学组成为：(1-x)vol.％[0.2PZN-0.8PZT]/xvol.％Al2O3，其中x的数值为0.25～0.65。该压电陶瓷材料基体0.2PZN-0.8PZT的组成原料为：Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2。具体制备方法为，首先，合成0.2PZN-0.8PZT基体粉料，按照相应化学计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料，其特征在于，采取将高绝缘与高熔点的Al2O3顺电相作为第二相引入PZN‑PZT钙钛矿铁电极性基体中构建0‑3复相结构，PZN‑PZT钙钛矿铁电极性基体的化学组成为：0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3‑0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，简记0.2PZN‑0.8PZT，其中掺入的第二相Al2O3为压电陶瓷材料体积的x vol.％，其中x的数值为0.25～0.65。

【技术特征摘要】
1.一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料，其特征在于，采取将高绝缘与高熔点的Al2O3顺电相作为第二相引入PZN-PZT钙钛矿铁电极性基体中构建0-3复相结构，PZN-PZT钙钛矿铁电极性基体的化学组成为：0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，简记0.2PZN-0.8PZT，其中掺入的第二相Al2O3为压电陶瓷材料体积的xvol.％，其中x的数值为0.25～0.65。2.按照权利要求1所述的一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料，其特征在于，x的数值为0.4。3.按照权利要求1或2所述的一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料，其特征在于，Al2O3在晶界处。4.制备权利要求1所述的压电陶瓷材料的方法，其特征在于，通过二步混合法制备得到，具体包括以下步骤：(1)合成0.2PZN-0.8PZT基体粉料，按照相应化学摩尔计量比称取原料：ZnO、Nb2O...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯育冬，于肖乐，郑木鹏，晏晓东，朱满康，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11