【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电陶瓷，具体涉及无铅阵列式压电陶瓷发电器件。特别涉及一种无铅压电陶瓷发电器件及其制备和应用。
技术介绍
1、压电陶瓷是以压电效应为应用原理的功能陶瓷材料，它能实现机械能和电能之间的相互转换。压电陶瓷具有敏感、形变量小、稳定性好和实用性强等优点。目前含铅压电陶瓷(如pzt基压电陶瓷)因为具有优异的性能。然而，含铅压电陶瓷中的pb元素的质量分数占60％以上，无论在生产、使用还是在以后的报废过程中，对人体和环境都有极大的危害。所以开发出高性能无铅压电陶瓷并实现商业应用迫在眉睫。
2、钛酸钡(batio3，简称bto)作为发现最早的压电陶瓷材料，距今已经有八十多年的应用历史，由于钛酸钡压电陶瓷本身压电系数较低，且温度稳定性较差，近年来关于其的应用较少。但是随着铅基压电陶瓷的应用逐渐受到限制，对于无铅压电陶瓷的研究已经逐渐成为研究热点，大量研究者通过优化工艺细节、改进实验方法或开发新的工艺来提升bt基无铅压电陶瓷的压电性，也取得了一定的成果，但是仍未能彻底解决无铅压电陶瓷压电输出性能低的问题。因此，从结构角度入手，通过压电材料的结构设计，提高其压电输出性能具有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有无铅压电陶瓷发电器件存在压电输出性能不理想的问题，本专利技术第一目的在于，提供一种无铅阵列式压电陶瓷发电器件，旨在通过调控纵横比以调节压电器件的应力分布，从而提高压电陶瓷发电器件的电压输出能力。
2、本专利技术第二目的在于，提供所述的多种陶瓷形状的无铅阵列式压
3、本专利技术第三目的在于，提供所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件的形状和纵横比的最优应力调控效果，旨在获得最高的压电输出效果。
4、本专利技术第四目的在于，提供所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件在低频能量收集装置中的应用。
5、无铅压电陶瓷由于本身压电系数较低，因此在压电输出方面远低于铅基陶瓷，针对该问题，本专利技术提供以下解决方案：
6、一种无铅阵列式压电陶瓷发电器件，包括上层导电膜、压电陶瓷阵列夹层和下层导电膜；
7、所述的压电陶瓷阵列夹层包括若干按阵列排列的压电陶瓷柱，以及分散在各压电陶瓷柱之间的封装材料；
8、所述的压电陶瓷柱为无铅致密压电陶瓷；各相邻压电陶瓷柱的间距为1mm。
9、针对无铅压电陶瓷器件压电输出性能低的问题，本专利技术研究发现，将压电陶瓷柱按所述的阵列方式设置构成压电器件，创新性地通过控制陶瓷柱形状和纵横比的变化，从而实现对阵列式陶瓷器件的应力调控，如此能够意外地实现改善压电电压输出的效果。
10、本专利技术所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其包括下层导电层，固定到下层导电层的压电陶瓷阵列夹层，以及固定在压电陶瓷阵列夹层上面的上层导电层；所述的压电陶瓷阵列夹层包括若干呈阵列排布的压电陶瓷柱，各压电陶瓷柱的上下底面均与导电层复合。所述的各压电陶瓷柱为致密陶瓷。本专利技术中，所述的压电陶瓷柱纵横比控制、形状控制及有机聚合物联合控制是协同改善所述材料性能，提高其压电输出性能的关键。
11、本专利技术中，所述的压电陶瓷柱的材料为bto、knn、bnt等无铅压电陶瓷；优选为bto。
12、本专利技术中，所述的压电陶瓷柱的纵横比为1～2；优选为2。研究发现，随着纵横比增大，阵列式压电器件的压电输出能力提高，但抗压强度降低，综合考虑，在该优选的纵横比下，能够表现出更优的压电电压输出能力，且仍具有较高的抗压强度。
13、本专利技术中，所述的压电陶瓷柱的横截面为三角形、正方形和六边形。出于强度以及压电输出电流和电压的考虑，所述的压电陶瓷柱的横截面为六边形。
14、本专利技术中，所述的压电陶瓷柱可根据任意需要的阵列图案进行排列，如圆形、正方形、长方形和菱形。优选地，所述的压电陶瓷柱按正方形的阵列图形进行排列。
15、本专利技术中，所述的封装材料为绝缘材料，进一步优选为pdms sylgard 184、pdmssylgard 186、pdms mix、ecoflex 00-30、ecoflex 00-10、ecoflex 00-50中的至少一种。
16、本专利技术中，在所述的压电陶瓷柱纵横比、形状和封装材料控制下，可以改善器件的压电电压输出能力。
17、作为优选，所述的压电陶瓷柱的纵横比小于5，优选为1～2。
18、作为优选，所述的相邻压电陶瓷柱的间距为1～5mm，优选为1～2mm。
19、本专利技术中，压电陶瓷柱的数量和器件的大小可进行调整，例如，可以为(3～10)*(3～10)。
20、本专利技术中，所述的导电膜的材料可以是行业内公知的材料，例如可以是单面导电的公知材料，具体可以为氧化铟锡导电膜、氧化铝锌导电膜、银纳米线导电膜、镍铜镀银导电布中的至少一种。
21、本专利技术中，所述的压电陶瓷阵列通过导电胶和导电膜复合。所述的导电胶可以是行业内公知的具有导电和粘结能力的成分。
22、作为优选，各压电陶瓷柱的上下底面均与导电膜导电连接。本专利技术中，该结构下有助于进一步改善输出效果和稳定性。
23、优选地，上下导电膜分别设置有导线。
24、本专利技术还提供了一种所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件的制备方法，步骤以下包括：
25、步骤(1)：
26、采用固相烧结法制备得到无铅致密压电陶瓷块，将其极化后切割形成压电陶瓷柱；所述的压电陶瓷柱的纵横比为1～2；
27、步骤(2)：
28、将各压电陶瓷柱的底面按设计阵列复合在下层导电膜导电面，再在各压电陶瓷柱的顶面复合上层导电膜，随后再用有机聚合物填充阵列间隙，制得所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件；
29、阵列中，各相邻压电陶瓷柱的间距为1mm。
30、本专利技术中，为了成功制备所述的压电陶瓷发电器件，需要解决无铅压电陶瓷压电系数低，压电输出性能差等问题。针对本专利技术所述器件制备面临的技术问题，本专利技术发现，创新地通过控制压电陶瓷柱的纵横比、形状以及封装材料的硬度，可以达到应力调控的效果，将其按规则的阵列进行排列，如此能够提高材料的压电输出能力，能够带来意料不到的技术效果。
31、本专利技术中，步骤(1)中，将压电陶瓷粉和粘接剂加水混合进行造粒，然后压制得到陶瓷生坯，将陶瓷生坯进行烧结处理，制得所述无铅致密压电陶瓷块。
32、本专利技术中，所述的无铅致密压电陶瓷块具有相对平整的底面和顶面。
33、本专利技术中，无铅压电陶瓷柱的纵横比为1～2。本专利技术研究发现，在该优选的纵横比下，能够提高器件的压电输出能力，一定程度上解决无铅压电陶瓷压电系数低的问题，不仅如此，该纵横比同时保障了器件具有一定的抗压强度。
34、本专利技术中，所述的无铅压电陶瓷块可基于现有的制备要求，预先进行切割处理，随后可基于现有的方法进行极化处理，极化后再进行切割形成需要尺寸本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，包括上层导电膜、压电陶瓷阵列夹层和下层导电膜；所述上层导电膜和下层导电膜分别设置在压电陶瓷阵列夹层的上下两侧；
2.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的材料选自BTO、BNT、KNN。
3.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的横截面为三角形、正方形、六边形。
4.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱按正方形的阵列图形进行排列；相邻压电陶瓷柱的间距为1-2mm。
5.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，压电陶瓷柱的纵横比为1～5。
6.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的上层导电膜和下层导电膜的材料分别选自氧化铟锡导电膜、氧化铝锌导电膜、银纳米线导电膜、镍铜镀银导电布中的至少一种；且上层导电膜和下层导电膜分别有导线引出。
7.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述
8.一种如权利要求1～7任一项所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件的制备方法，其特征在于，步骤以下包括：
9.根据权利要求8所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将压电陶瓷粉和粘接剂混合，得到混合粉，将混合粉放入压机中进行压制，制得陶瓷生坯，将陶瓷生坯进行烧结处理，制得所述无铅致密压电陶瓷块；
10.一种如权利要求1～7任一项所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件的应用，其特征在于，用于低频能量收集。
...【技术特征摘要】
1.一种无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，包括上层导电膜、压电陶瓷阵列夹层和下层导电膜；所述上层导电膜和下层导电膜分别设置在压电陶瓷阵列夹层的上下两侧；
2.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的材料选自bto、bnt、knn。
3.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的横截面为三角形、正方形、六边形。
4.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱按正方形的阵列图形进行排列；相邻压电陶瓷柱的间距为1-2mm。
5.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，压电陶瓷柱的纵横比为1～5。
6.根据权利要求1所述的无铅阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的上层导电膜和下层导电膜的材料分别选自氧化铟锡导电膜、氧化铝锌导电膜、银纳米线导电膜、镍铜镀银导电布中的至少一种；且上层...
【专利技术属性】
技术研发人员：张妍，张建勋，徐倩倩，曾瀚民，张斗，周科朝，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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