【摘 要】
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压电材料作为一类能够直接实现机械能与电能有效转换的功能电子材料,广泛应用于机械制造、电子通讯、军事等领域,在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有广阔的应用前景。如汽车内燃机的电喷装置,要求压电材料在200℃甚至300℃以上的高温环境下稳定工作等,高温压电材料及其器件的高温应用研究受到了前所未有的关注。高居里温度、高退极化温度和高压电性能是作为高温压电能量收集材料的必备要素。而这些宏观特性反映在材
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压电材料作为一类能够直接实现机械能与电能有效转换的功能电子材料,广泛应用于机械制造、电子通讯、军事等领域,在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有广阔的应用前景。如汽车内燃机的电喷装置,要求压电材料在200℃甚至300℃以上的高温环境下稳定工作等,高温压电材料及其器件的高温应用研究受到了前所未有的关注。高居里温度、高退极化温度和高压电性能是作为高温压电能量收集材料的必备要素。而这些宏观特性反映在材料内部的晶体结构、相组成和微观形态上,因此剖析材料的宏观性能和内部微观结构之间内在关联性,是开发高温压电能量收集器的关键。目前,商用压电材料主要是Pb（Zr,Ti）O3（简称PZT）压电陶瓷材料,但由于正常的工作温度范围被限制在150℃以下,无法在更高温度环境下稳定工作,所以寻求居里温度高且具有优异性能的压电材料成为日益增长的迫切需求。论文选择偏三方组分0.39Bi Sc O3-0.61Pb Ti O3（0.39BS-0.61PT）压电陶瓷作为研究对象,从两方面实现陶瓷性能的优化。一是通过离子掺杂改善陶瓷的压电性能;二是基于晶格畸变调控相界的理论,诱导陶瓷的相结构向MPB相界过渡,实现最佳四方相（T相）比例,在提高电学性能的同时提高居里温度。最后,利用性能优化后的0.39BS-0.61PT压电陶瓷进行压电悬臂梁振动能量收集器的模拟与仿真,探索BS-PT基压电材料在能量收集器方面应用的潜力。（1）采用固相反应法制备了不同Sm含量0.39Bi Sc O3-0.61(Pb1-1.5xSmx)Ti O3（xSm-0.39BS-0.61PT）（x=0,0.005,0.01,0.015mol）陶瓷。XRD相结构分析表明,Sm3+取代A位,促使陶瓷相结构由单一三方相逐渐向四方相转变,实现准同型相界结构构筑。电学性能测试表明,随Sm3+含量的增加,在四方相一侧,对压电常数d33与介电常数r的变化速率不同,n成功获得了优异的机电转换性能陶瓷。当烧结温度为1150℃,Sm3+掺杂含量为x=0.01时,陶瓷的电学性能最佳:d33=455p C/N,kp=55%,r=1075,tanδ=0.046,Tc=382℃。温度稳定性测试表明,从室温到290℃,xSm-0.39BS-0.61PT陶瓷表现出优异的压电稳定性。（2）采用固相法制备了y Zn O-0.39Bi Sc O3-0.61Pb Ti O3（y Zn-0.39BS-0.61PT）（y=0.005,0.01,0.015,0.02mol）陶瓷,XRD分析表明,随着Zn O含量的增加,陶瓷的相结构由单一三方相逐渐向四方相转变,实现准同型相界构筑。电学性能测试表明,随着Zn O含量的增加,陶瓷的压电常数d33先增大后减小,居里温度不断向高温方向移动。在y=0.015时,T相比例约为70%,该组分陶瓷获得最佳的综合性能:d33=431p C/N,kp=53%,r为1285,tanδ=0.047,Tc=432℃,从室温到365℃,陶瓷表现出良好的压电稳定性。（3）利用0.01Sm-0.39BS-0.61PT高温压电陶瓷模拟了压电悬臂梁式振动能量收集器。得到了一套自洽的全矩阵宏观机电参数,利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对该能量收集器进行建模仿真。结果表明,在66Hz频率下,悬臂梁以相同的频率进行周期性上下振动,并在上下陶瓷片中产生了电位差,在接入外部负载时,产生了电流。该能量收集器的输出电压和输出电功率随着频率的增加先增后减,呈对称式分布。当频率为66Hz、负载电阻为12kΩ、加速度为1g时,输出电压为5.589V,输出电功率为1.302m W。0.01Sm-0.39BS-0.61PT陶瓷的机电转换效率为98.64%。研究该能量收集器与外接负载的关系表明,输出电压随外接负载的增加呈现上升趋势,稳定在7.012V;输出电功率随阻值的增加呈对称式下降趋势,在阻值为10kΩ时,输出电功率达到最大值,为1.349m W。研究该能量收集器与外部激励加速度的结果表明,输出电压随加速度的增加呈现直线上升的关系,输出电功率随加速度的增加呈现二次函数关系。改变质量块的质心高度,会降低该能量收集器的特征频率,提高该能量收集器的输出特性,使得能量收集器的收集效率得到优化。
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