铌酸钾钠基压电陶瓷及其在振动能量收集中的研究

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近年来,随着微电子技术水平的提升,物联网技术和可穿戴设备发展迅速,而这些器件通常都是依靠化学电池为其提供能量,这在实际应用中存在很多困难和不便,加上人类面临日益严峻的能源危机的挑战。其实在我们的生活环境中存在大量的振动能,它们看似微小,但却可以积少成多,如果将其收集起来并加以利用也将会产生可观数量的能源。本文正是着眼于此,以压电材料的压电效应为基础理论,制备基于压电材料的能量收集器来将周围环境中的振动能转换为电能,从而为电子元器件提供能量。本研究主要从提高压电材料的压电性能出发,并且制备了简单的压电能量收集器模型。目前所使用的压电材料中以压电陶瓷为主,但是大部分压电陶瓷中都含有铅元素,并且铅含量都比较高,而铅是公认的会对对环境和生物健康造成很大威胁的元素,因此无铅压电陶瓷便应运而生。铌酸钾钠基(KNN)无铅压电陶瓷以其优良的压电性能脱颖而出。但是目前很难用传统的烧结方法制备出致密的KNN,其性能也就很难再优化。本文从制备工艺方法和成分改性两种途径来探索提高KNN电学性能的方法。在改善制备工艺这一途径中有引入两次预烧——球磨方法,使得未经掺杂且在空气中常压烧结的KNN压电性能大幅提高,相对密度高达96.9%,机电耦合系数kp达到0.44,压电常数d33为111PC/N,高于大部分文献报道值,而介电损耗tanδ仅为0.85%。在成分改性这一途径中,引入少量CuO。研究了以不同方式加入xmol%CuO对KNN陶瓷进行改性并分别得到性能较好的配比及烧结工艺,分别为:(1)将CuO以B位掺杂的方式直接混料加入,得到x取0.5时,1090℃下烧结的KNN陶瓷综合性能最佳,d33为98 PC/N,tanδ仅为0.10%,Qm为486,而同时kp仍保持在0.43这一较高值;(2)将CuO先与Nb2O5合成先驱体,然后再加入K、Na制备KNN,烧结温度为1100℃,x=0.5时,性能最佳,d33为97 PC/N,tanδ为0.23%,Qm高达669,kp为0.42;(3)将CuO以助烧剂的方式加入,当x=0.5时,烧结温度为1075℃时,材料的Qm高达944,而kp仍然保持在0.36。选用综合性能最好的0.5mol%CuO助烧的KNN陶瓷制备能量收集器,测得器件的共振频率为41.6Hz,最佳载荷为21.25MΩ,加速度大小为2.25m/s2时,输出电压为15.3V,输出功率为5.8μW。
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