一种具有稳定输出电压和可控输出电流的无铅压电能量收集陶瓷材料体系及制备，属于压电陶瓷材料领域。该陶瓷材料的基体化学组成为(1‑x)(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3‑x(Bi0.5Na0.5)ZrO3，x的数值为0.015，0.03和0.04，在这三个体系中，输出电压稳定，输出电流密度逐步提升。按相应计量比配料，采用湿磨、烘干、造粒、压制成型、烧结步骤制备样品。本发明专利技术实现了在同一无铅压电陶瓷材料体系中具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度，对压电能量收集技术工业具有重大的推进作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系及制备。
技术介绍
1、随着5g技术的发展，智慧城市应运而生，日常生活中随处可见的智能家居、智能医疗、智能交通等都是5g物联网时代智慧城市的重要标志。在智慧城市中分布着数以万计的微型传感器，构建一种能够实现自供电的网络传感系统有利于进一步促进智慧城市的完善和发展。压电能量收集技术相比于太阳能、风能、潮汐能等生态能源，具有受自然环境影响较小、功率密度高、体积小、易制造、可集成等优点，被视为智慧城市中新型电子器件的供电来源之一，近年来受到广泛关注并快速发展。
2、在近二十多年中，关于压电能量收集技术进行了大量研究，并取得了一些重要进展。压电能量收集器的输出电压已经实现了在几十伏到上百伏的范围内可调，可以满足大多数微型传感器的使用要求。但是输出电流密度低以及输出电流密度的难以调控仍然是其实际应用的瓶颈。因此，设计出输出电压稳定、输出电流密度可控的压电能量收集器去满足不同微型传感器功能需求，具有重要的实际应用意义。而且，低的输出电流密度是压电能量收集器急需克服的瓶颈，目前关于构建具有稳定的输出电压、高的输出电流密度的压电能量收集器仍然比较匮乏。压电陶瓷材料是压电能量收集器件的核心部分，如果在同一压电材料体系中可以实现具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度，这对于工业生产以及实际应用具有重要的产业价值和发展意义。
3、压电能量收集器的输出电压(vout)和压电电压常数有关(g33)，而g33可以表示为:</p>4、
5、其中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数。
6、压电能量收集器的输出电流(iout)和压电电荷常数有关(d33)，可以表示为:
7、
8、其中，d33为压电电荷常数，f为作用力，t为时间。
9、根据经典的唯象理论，d33又可以表示为：
10、d33＝2ε0εrpsq33 (3)
11、其中，ps为自发极化强度，q33为电致伸缩系数。
12、结合公式(1)和(3)，g33还可以表示为：
13、
14、可见，如果要想实现具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度，需要压电陶瓷材料体系具有平稳的g33以及逐步提升的d33,即逐渐升高的ps和逐渐降低的q33来维持g33的平稳,逐渐升高的ps和εr来获得逐步提升的d33。
15、目前，压电能量收集技术中使用的压电陶瓷材料主要为铅基压电材料，由于铅的毒性会对生态环境和人类健康造成严重危害，寻找可以替代铅基材料的无铅压电陶瓷材料是当今的研究热点。铌酸钾钠基(knn)无铅压电陶瓷由于具有丰富的相界和理想的压电性能，近年来收到了广泛关注。通过改变knn基陶瓷的相界结构，会对材料的电学性能进行调控。因此，为构建具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的knn基陶瓷体系，本专利技术通过精细的组分调控，构建出一系列具有不同比例的三方-正交-四方(r-o-t)多晶型相界的材料，一方面体系中ps的逐渐升高和q33的逐渐降低共同调制出平稳的g33,从而获得稳定的输出电压；另一方面，体系中ps和εr逐渐升高，获得了逐渐升高的d33，从而实现输出电流密度的逐步提升。最终得到具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的knn基压电能量收集陶瓷材料体系。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的knn基陶瓷体系及其制备方法，制备的无铅压电陶瓷同时具备稳定的g33和逐步提升的d33，并通过悬臂梁型能量收集器表征了其发电特性。为了实现构建具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度，本专利技术中通过成分调控，制备出一系列比例不同的三方-正交-四方(r-o-t)多晶型相界材料，一方面，体系中q33的逐步降低和ps的逐步升高共同调制出平稳的g33，从而获得稳定的输出电压；另一方面，体系中ps以及εr逐步升高，获得了逐渐升高的d33，从而实现输出电流密度的逐步提升。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案。
3、本专利技术的具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电材料体系，其特征在于，基体化学组成为：
4、(1-x)(k0.48na0.52)(nb0.96sb0.04)o3-x(bi0.5na0.5)zro3，x的数值为0.015，0.03和0.04，在这三个体系中，输出电压稳定，输出电流密度随着x增大逐步提升，输出电压vout＝21.3±0.2v，输出电流密度iout为6.09-20.16μa/cm2。
5、本专利技术上述具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电材料体系通过普通固相工艺制备，具体包括以下步骤：
6、(1)按照化学式(1-x)(k0.48na0.52)(nb0.96sb0.04)o3-x(bi0.5na0.5)zro3中各元素的摩尔配比，称取原料k2co3、na2co3、nb2o5、sb2o3、bi2o3及zro2，其中，x的数值为0.015，0.03和0.04；
7、(2)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磨机中球磨24小时；球磨后所得浆料进行烘干，将干燥后的粉体在850℃煅烧6小时后随炉冷却；
8、(3)将步骤(2)冷却后的粉料经过二次球磨并烘干，烘干后的粉末研磨并进行造粒；优选采用pva造粒，采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂进行造粒，粘结剂的用量为每10g陶瓷粉体对应1ml粘结剂。
9、(4)将步骤(3)造粒得到的粉料静置后，压制成型(如在100mpa的压力下成型)，得到素坯体，然后进行排胶处理(优选将坯体在560℃排胶处理)，最终在1140℃烧结，保温3小时，随炉冷却至室温，得到目标材料。
10、制备得到的无铅压电材料，首先经过表面的抛光处理，进行微结构测试，然后涂覆银电极并进行人工极化(如在100℃的硅油中，在40kv·cm-1的电压下极化30min，再室温老化24h)，对样品进行压电性能的测试。最后，通过悬臂梁结构能量收集器进行发电性能测试。
11、通过精细的组分设计和烧结工艺，得到了致密的陶瓷样品，其中，0.985(k0.48na0.52)(nb0.96sb0.04)o3-0.015(bi0.5na0.5)zro3，材料性能可达到：εr＝1152，ps＝18.5μc/cm2，d33＝160pc/n，q33＝0.023m4/c2，g33＝15.54(×10-3vm/n)，在室温发电性能：输出电压vout＝21.3v，输出电流密度iout＝6.09μa/cm2；0.97(k0.48na0.52)(nb0.96sb0.04)o3-0.03(bi0.5na0.5)zro3，材料性能可达到：εr＝1548，ps＝23.4μc/cm2，d33＝213pc/n，q33＝0.021m4/c2，g33＝15.69(×10-3vm/n本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，材料体系为
2.按照权利要求1所述的具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，x数值为0.015的材料体系具有三方-正交-四方(R-O-T)多晶型相界，且相结构比例为R:O:T＝41:36:23；x数值为0.03的材料体系具有三方-正交-四方(R-O-T)多晶型相界，且相结构比例为R:O:T＝39:34:27；x数值为0.04的材料体系具有三方-正交-四方(R-O-T)多晶型相界，且相结构比例为R:O:T＝31:33:36。
3.按照权利要求1所述的具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，0.985(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.015(Bi0.5Na0.5)ZrO3,材料性能达到：εr＝1152，Ps＝18.5μC/cm2，d33＝160pC/N，Q33＝0.023m4/C2，g33＝15.54(×10-3Vm/N)，在室温发电性能：输出电压Vout＝21.3，输出电流密度Iout＝6.09μA/cm2；0.97(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.03(Bi0.5Na0.5)ZrO3，材料性能达到：εr＝1548，Ps＝23.4μC/cm2，d33＝213pC/N，Q33＝0.021m4/C2，g33＝15.69(×10-3Vm/N)，在室温发电性能：输出电压Vout＝21.5V，输出电流密度Iout＝13.12μA/cm2；0.96(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.04(Bi0.5Na0.5)ZrO3，材料性能达到：εr＝1975，Ps＝25.7μC/cm2，d33＝319pC/N，Q33＝0.018m4/C2，g33＝15.54(×10-3Vm/N)，在室温发电性能：输出电压Vout＝22.1V，输出电流密度Iout＝20.16μA/cm2，满足相同驱动电压但是不同驱动电流规格的微型传感器供能需求。
4.制备权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料的方法，其特征在于，通过普通固相工艺制备得到，具体包括以下步骤：
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂进行造粒，在100MPa的压力下成型，于560℃排除粘结剂。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，粘结剂的用量为每10g陶瓷粉体对应1ml粘结剂。
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【技术特征摘要】
1.一种具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，材料体系为
2.按照权利要求1所述的具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，x数值为0.015的材料体系具有三方-正交-四方(r-o-t)多晶型相界，且相结构比例为r:o:t＝41:36:23；x数值为0.03的材料体系具有三方-正交-四方(r-o-t)多晶型相界，且相结构比例为r:o:t＝39:34:27；x数值为0.04的材料体系具有三方-正交-四方(r-o-t)多晶型相界，且相结构比例为r:o:t＝31:33:36。
3.按照权利要求1所述的具有稳定的输出电压和可控的输出电流密度的无铅压电能量收集陶瓷材料体系，其特征在于，0.985(k0.48na0.52)(nb0.96sb0.04)o3-0.015(bi0.5na0.5)zro3,材料性能达到：εr＝1152，ps＝18.5μc/cm2，d33＝160pc/n，q33＝0.023m4/c2，g33＝15.54(×10-3vm/n)，在室温发电性能：输出电压vout＝21.3，输出电流密度iout＝6.09μa/cm2；0.97(k0.48na0.52)(nb0.96s...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯育冬，席凯彪，朱满康，郑木鹏，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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