一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系陶瓷材料及制备制造技术

一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系陶瓷材料及制备，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基本化学组成为(0.2‑x)PZN‑xPIN‑0.8PZT，x为0.000～0.100。以ZnO、In2O3、Nb2O5、Pb3O4、ZrO2、TiO2为原料，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤。本发明专利技术实现了有效调控压电电荷常数和介电常数的非协同变化趋势，为进一步发展高性能压电能量收集材料提供了全新的设计思路，并且对大幅度增强压电能量收集器件的机电转换性能及工业化应用具有重大的推进作用。

A Quaternary Ceramic Material with High Transfer Coefficient for Piezoelectric Energy Collection and Its Fabrication

A quaternary ceramic material with high energy transfer coefficient for piezoelectric energy collection and its preparation belongs to the field of piezoelectric ceramic materials. The basic chemical composition of the ceramic material is (0.2 x) PZN xPIN 0.8 PZT, x is 0.000-0.100. Using ZnO, In2O3, Nb2O5, Pb3O4, ZrO 2 and titanium dioxide as raw materials, wet grinding, drying, granulation, pressing, forming and sintering steps were adopted. The invention realizes the non-cooperative change trend of effective regulation of piezoelectric charge constant and dielectric constant, provides a new design idea for further development of high-performance piezoelectric energy collection materials, and has a significant promoting effect on greatly enhancing the electromechanical conversion performance and industrial application of piezoelectric energy collection devices.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系陶瓷材料及制备
本专利技术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具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料及制备方法。
技术介绍
近年来，无线传感网络得到了快速的发展，尤其在环境控制监测系统、嵌入式系统、军事安全应用系统和野外动物跟踪器件等方面得到了广泛的应用。由于无线传感器传统的布线供电或者更换电池的方法成本过高，所以如何实现无线传感器自供电是当今世界各国研究的热点。然而太阳能、风能等新能源对环境依赖性过重，其并不能在无线传感器自供电方面得到良好的应用。压电能量收集技术是利用压电材料的正压电效应将环境中的机械能转换为电能，且具有机电转化效率高、输出电压高、不受电磁干扰、无需外加偏置等优点，因而在无线传感领域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，但其制备成本高、工艺性复杂、可加工性差，因而无法大规模应用。相较于前者而言，常规压电陶瓷材料具有制备成本低、工艺性简单、可大规模生产等优点，因而可以满足能量收集器件的大规模应用需求。为了满足压电能量收集器的实际应用要求，压电陶瓷材料必须具有高的换能系数(d33·g33)：d33：压电电荷常数g33：压电电场常数εr：相对介电常数ε0：真空介电常数，8.854×10-12F/m通过公式(1-1)可以看出，对于压电陶瓷材料来说，高的换能系数(d33·g33)可以通过高的压电电荷常数(d33)和低的相对介电常数(εr)来获得。迄今为止，为提高压电陶瓷材料的换能系数(d33·g33)，各国相关领域的工作者进行了大量的研究工作，这些工作主要包括准构建准同型相界(MPB)、掺杂以及调控晶粒尺寸等，以期获得具有高换能系数(d33·g33)的压电陶瓷材料。2013年，Zheng等对0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3体系进行了掺杂改性研究，结果表明：引入NiO掺杂剂使该体系的最佳换能系数达到了10050×10-15m2/N(JournaloftheEuropeanCeramicSociety，2013年，33卷，第8期，1447-1456页)。Yue等采用高能球磨和无压烧结技术相结合，制备了晶粒尺寸在亚微米级别的0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3细晶陶瓷，其换能系数为7980×10-15m2/N(JournaloftheAmericanCeramicSociety，2017年，100卷，第11期，5211-5219页)。上述前人研究工作中压电电荷常数(d33)和相对介电常数(εr)往往表现出同时增大或者同时减小的变化趋势，根据上述公式(1-1)，这种协同变化严重限制了换能系数(d33·g33)的提升，从而难以获取优异的压电陶瓷材料以满足高性能压电能量收集器的应用需求。因此，必须寻求新的材料设计思路来大幅度提升压电陶瓷材料的换能系数(d33·g33)。综上所述，为了满足压电能量收集器件高机电转换性能的要求，在本专利中，主要通过引入低相对介电常数的组元到目前广泛应用的Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr1/2Ti1/2)O3基(缩写为PZN-PZT)三元系压电陶瓷材料中，以期有效调控PZN-PZT基压电陶瓷材料的压电电荷常数(d33)和相对介电常数(εr)的变化趋势，从而大幅提高其换能系数(d33·g33)。
技术实现思路
本专利技术的目的是有效调控PZN-PZT基陶瓷材料压电电荷常数(d33)和相对介电常数(εr)的变化趋势，从而大幅度提升该材料体系的换能系数(d33·g33)。本专利技术采取将低相对介电常数的Pb(In1/2Nb1/2)O3(缩写为PIN)弛豫体作为复合组元引入PZN-PZT三元系钙钛矿铁电基体中构建新颖的(0.2-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPb(In1/2Nb1/2)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3(缩写为(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT)四元系压电陶瓷材料，以期利用PIN复合组元的低相对介电常数来大幅度降低该材料体系的相对介电常数(εr)，同时基于B位阳离子不同电子组态对随机场的扰动，使得畴态得到优化，进而稳定了该材料体系的压电电荷常数(d33)，从而在特定组成获得具有高换能系数(d33·g33)的四元系压电陶瓷材料。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压电能量收集具有高换能系数(d33·g33)的四元系压电陶瓷材料，其特征在于，采取将低相对介电常数的弛豫体PIN作为复合组元引入PZN-PZT三元系钙钛矿铁电基体中构建四元系压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的基本化学组成为：(0.2-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPb(In1/2Nb1/2)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3(缩写为(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT)，其中x的数值为大于0.000小于0.100，优选为0.008-0.075，进一步优选0.042。本专利技术上述具有高换能系数(d33·g33)的四元系压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，通过传统固相法制备得到，具体包括以下步骤：(1)合成(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT陶瓷粉料，按照相应化学摩尔计量比称取原料：ZnO、Nb2O5、Pb3O4、ZrO2、TiO2、In2O3，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于卧式球磨机中球磨24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(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT进行二次球磨，球磨后所得浆料进行烘干，得到(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT陶瓷粉料；(2)采用聚乙烯醇(PVA)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950～1150℃烧结，优选1000℃，保温2小时，得到陶瓷材料。优选：上述步骤(2)粘结剂的用量优选为每10g陶瓷粉体对应1.2ml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，经过抛光处理之后被上银电极，在120℃的硅油中，在40kV·cm-1的电压下极化30min，再室温老化24h，然后对样品进行电性能的测试。其中，最佳样品为：0.158PZN-0.042PIN-0.8PZT，其性能可达到：d33＝379pC/N，εr＝1009，d33·g33＝16081×10-15m2/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)本专利技术提供的引入低相对介电常数复合组元的设计方法，能够有效解决压电电荷常数(d33)和相对介电常数(εr)协同变化的问题，可有效拆分压电电荷常数(d33)和相对介电常数(εr)的变化趋势，即在大幅度降低相对介电常数(εr)的同时，维持压电电荷常数(d33)的稳定，为进一步发展高性能压电能量收集材料提供了全新的设计思路。(2)本专利技术的具有高换能系数(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。(3)本专利技术的具有高换能系数(d33·g33)的压电陶瓷材料制备方法简单、易于操本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料，其特征在于，采取将低相对介电常数的Pb(In1/2Nb1/2)O3(缩写为PIN)弛豫体作为复合组元引入PZN‑PZT三元系钙钛矿铁电基体中构建四元系压电陶瓷材料，其四元系压电陶瓷材料的化学组成为：(0.2‑x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3‑xPb(In1/2Nb1/2)O3‑0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，简记为(0.2‑x)PZN‑xPIN‑0.8PZT，其中x的数值为大于0.000小于0.100。

【技术特征摘要】
1.一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料，其特征在于，采取将低相对介电常数的Pb(In1/2Nb1/2)O3(缩写为PIN)弛豫体作为复合组元引入PZN-PZT三元系钙钛矿铁电基体中构建四元系压电陶瓷材料，其四元系压电陶瓷材料的化学组成为：(0.2-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPb(In1/2Nb1/2)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3，简记为(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT，其中x的数值为大于0.000小于0.100。2.按照权利要求1所述的一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料，其特征在于，x的数值为0.008-0.075。3.按照权利要求1所述的一种应用于压电能量收集具有高换能系数的四元系压电陶瓷材料，其特征在于，x的数值为0.042。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，通过传统固相法制备得到，具体包括以下步骤：(1)合成(0.2-x)PZN-xPIN-0.8PZT陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯育冬，闫晶，于肖乐，郑木鹏，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