一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法技术

本发明专利技术属于热释电能量收集领域，更具体地，涉及一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法。本发明专利技术提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其通过在热释电陶瓷材料中引入高热导率半导体材料，利用半导体材料的电荷补偿效应来调控自由电荷的传输从而提高复合陶瓷材料的热释电系数，同时半导体材料的高热导率提升了复合陶瓷的温度变化率，从而提高该复合陶瓷材料的能量密度，由此解决现有技术制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容等的技术问题。

A method to improve the energy density of pyroelectric composite ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法
本专利技术属于热释电能量收集领域，更具体地，涉及一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法。
技术介绍
热释电能量收集能够将环境中广泛存在的废热转换为电能，供电于可穿戴电子设备、植入性医疗器械、无源传感器等。热释电能量收集一个周期输出的能量密度表达式如下：其中，A，d，R，p，dT/dt分别为热释电陶瓷的电极面积，厚度，负载电阻值，热释电系数，温度变化率。由于A，d，R为确定值，热释电能量密度的大小取决于热释电系数及温度变化率。为提升热释电能量收集的能量密度，一方面，国内外学者通过在热释电陶瓷中构建准同型相界、铁电-反铁电相变、极性纳米微区等来提升陶瓷的热释电系数；另一方面，研究者将热释电陶瓷表面制备成网孔状、条状、带状、涡旋状等复杂的形状来提升其温度变化率。然而，制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容。因此，提高热释电陶瓷能量密度的关键在于开发出同时具有高热释电系数及温度变化率的铁电材料。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其通过在热释电复合陶瓷材料中引入高热导率第二相物质，利用第二相物质的电荷补偿效应来调控自由电荷的传输从而提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时第二相物质的高热导率提升了复合陶瓷的温度变化率，从而提高该复合陶瓷材料的能量密度，由此解决现有技术制备表面形状复杂的热释电陶瓷工艺复杂，成本高，难以与无源器件的应用需求相兼容等的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，在热释电复合陶瓷材料中引入第二相物质，该第二相物质的热导率大于25Wm-1℃-1，且具有电荷补偿效应；利用该第二相物质的电荷补偿效应加快所述热释电复合陶瓷材料自由电荷的传输来提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时该第二相物质的高热导率能够提升该复合陶瓷材料的温度变化率，从而使得该复合陶瓷材料的能量密度提升。优选地，所述的方法，包括如下步骤：(1)将热释电复合陶瓷材料与第二相物质以粉体形式充分混合，得到粉体混合物；(2)将步骤(1)获得的粉体混合物烘干后过筛，造粒、压片并制成陶瓷坯体；(3)将步骤(2)得到的陶瓷坯体进行烧结，冷却后得到能量密度提高的热释电陶瓷复合材料。优选地，所述热释电复合陶瓷材料为0.94Na0.56-xBi0.48+x/3TiO3-0.06BaZr0.2Ti0.8O3，其中0≤x≤0.1。优选地，所述粉体混合物中第二相物质的质量百分数不大于0.3％。优选地，所述第二相物质为氮化铝、氧化锌、碳化硅和氮化镓中的一种或多种。优选地，步骤(1)将热释电复合陶瓷材料与第二相物质以粉体形式采用球磨混合，球磨4～6小时，得到所述粉体混合物。优选地，步骤(3)所述烧结程序为：以2.5～4℃/min升温到550～600℃保温1～2小时，然后以8～10℃/min升温到1100～1130℃保温2～4小时，随炉冷却至室温。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种按照所述的提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法获得的热释电陶瓷复合材料。优选地，所述热释电陶瓷复合材料在室温下的热导率范围为1.56～1.91Wm-1K-1，峰值热释电系数范围为250～900×10-4Cm-2K-1，热释电能量密度范围为60～420μJcm-3。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的热释电陶瓷复合材料的应用，用于制备热释电能量收集器件。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供了一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其通过在热释电复合陶瓷材料中引入高热导率半导体材料，利用半导体材料的电荷补偿效应来调控自由电荷的传输从而提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时半导体的高热导率提升了复合陶瓷的温度变化率，从而提高该复合陶瓷材料的能量密度。(2)本专利技术在BNT-BZT热释电陶瓷中引入AlN调控自由电荷的传输来获得高热释电系数p，同时高热导率AlN提升了复合陶瓷的温度变化率，以获得能量密度提高的无铅热释电复合陶瓷材料。(3)本专利技术制备的BNT-BZT:AlN复合陶瓷的优点在于：BNT-BZT陶瓷具有较高的热释电系数，AlN具有较高的热导率。为解决现有陶瓷热释电系数可观然热导率低的问题，本专利技术将高热释电系数的BNT-BZT陶瓷与高热导率AlN复合，获得高热导率复合热释电陶瓷，其热导率由1.56Wm-1K-1提升到1.91Wm-1K-1。(4)本专利技术制备的复合陶瓷的优点在于：AlN的引入不仅提升了复合陶瓷的热导率，同时进一步提升了复合陶瓷的热释电系数，获得了高热释电系数的复合陶瓷，其峰值热释电系数由250×10-4Cm-2K-1提升到900×10-4Cm-2K-1。(5)本专利技术提供了一种简单有效的提升热释电陶瓷能量密度的方法。从热释电能量密度的表达式可知，复合BNT-BZT:AlN热释电陶瓷兼具了热释电系数高、热导率高的优点，获得了高热释电能量密度，所得样品的能量密度由60μJcm-3提升到420μJcm-3，这对热释电陶瓷在能量收集方向的应用具有重要价值。(6)本专利技术的制备方法中，首先采用固相法制备BNT-BZT铁电陶瓷基体，其烧结温度范围：1150℃～1180℃，保温2～3小时。第二步采用复合的方法，以BNT-BZT陶瓷粉体以基体，以AlN粉体为第二相进行复合，两相复合中的烧结温度范围为：1100℃～1130℃，保温2～3小时。两相复合中合适的烧结工艺有效实现了BNT-BZT铁电基体与AlN共存，抑制了两相的扩散，获得热释电能量密度显著提升的复合陶瓷。附图说明图1：本专利技术实施例1BNT-BZT:0.25wt％AlN热释电复合陶瓷的背散射图以及元素分布图。(a)为本实施例制得的BNT-BZT:0.25wt％AlN热释电复合陶瓷的背散射图，(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别为该复合陶瓷材料中Al、O、Bi、Na和Ti元素的元素分布图。图2：本专利技术对比例1及实施例1至实施例4热释电复合陶瓷的热导率示意图。图3：本专利技术对比例1及实施例1至实施例4热释电复合陶瓷的热释电系数示意图。图4：本专利技术对比例1及实施例1至实施例4热释电复合陶瓷的能量收集电流示意图。图5：本专利技术对比例1及实施例1至实施例4热释电复合陶瓷的能量密度示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的一种提升热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其在热释电复合材料中引入第二相物质，该第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其特征在于，在热释电复合陶瓷材料中引入第二相物质，该第二相物质的热导率大于25W m

【技术特征摘要】
1.一种提高热释电复合陶瓷材料能量密度的方法，其特征在于，在热释电复合陶瓷材料中引入第二相物质，该第二相物质的热导率大于25Wm-1℃-1，且具有电荷补偿效应；利用该第二相物质的电荷补偿效应加快所述热释电复合陶瓷材料自由电荷的传输来提高该复合陶瓷材料的热释电系数，同时该第二相物质的高热导率能够提升该复合陶瓷材料的温度变化率，从而使得该复合陶瓷材料的能量密度提升。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将热释电复合陶瓷材料与第二相物质以粉体形式充分混合，得到粉体混合物；
(2)将步骤(1)获得的粉体混合物烘干后过筛，造粒、压片并制成陶瓷坯体；
(3)将步骤(2)得到的陶瓷坯体进行烧结，冷却后得到能量密度提高的热释电陶瓷复合材料。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热释电复合陶瓷材料为0.94Na0.56-xBi0.48+x/3TiO3-0.06BaZr0.2Ti0.8O3，其中0≤x≤0.1。


4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粉体混合物中第二相物质的质量百分数不大于0...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈孟，姜胜林，张光祖，
申请(专利权)人：华中科技大学，深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42