高性能(Ba,Ca)(Ti,Sn)O3-xCuO無鉛壓電陶瓷的制備及其在能量收集方面的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，各種便攜式發(fā)電裝置的研究成為新的研究熱點，其目的是在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域代替電池或為電池充電。利用每一種發(fā)電原理構(gòu)造的發(fā)電裝置都有其自身的特點和使用領(lǐng)域，其中壓電轉(zhuǎn)換因結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、易于加工制作和易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化而適用于制作各種換能器。然而，目前存在的問題是:現(xiàn)在的壓電換能器基本都基于鋯鈦酸鉛(Pb(Zr1-xTix)O3，PZT)壓電材料，而PZT在制備及廢棄的過程中對環(huán)境和人體都有很大傷害，因此亟需

2、開發(fā)出性能優(yōu)異的無鉛壓電陶瓷以制備能量收集器;對器件的理論分析不具有普適性，需要開發(fā)出有效的理論模型對器件進行直接有效的分析;器件的輸出電壓和功率密度較小，器件需得到進一步優(yōu)化和改進。針對上述問題，本文從壓電材料的類型、器件結(jié)構(gòu)、振動模式進行分析，提出了壓電振動能量收集器的研究內(nèi)容。
　　固相反應(yīng)法制備(Ba0.95Ca0.05)(Ti0.90 Sn0.10)O3+xmolCuO(簡稱BCT-BST-xCu)無鉛壓電陶瓷。探討了制

3、備工藝中燒結(jié)溫度和氧化銅含量對BCT-BST-xCu陶瓷的物相結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電和介電等性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為1350℃、氧化銅摻雜量為2％mol時，其壓電常數(shù)d33達(dá)576pC/N，介電常數(shù)ε可以達(dá)到25000，剩余極化強度Pr、矯頑場Ec分別為9.63μC/cm2、0.7kV/cm。
　　分析能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)果表明與其他結(jié)構(gòu)換能器相比，雙晶串聯(lián)的懸臂梁式輸出電壓高，易于調(diào)節(jié)器件的共振頻率，且適合于低頻振動

4、的環(huán)境中。在結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上建立能量收集器的模型，利用集中質(zhì)量參數(shù)法對懸臂梁式能量收集器進行理論分析，研究了無鉛壓電陶瓷片厚度、末端質(zhì)量塊質(zhì)量、共振頻率、外加負(fù)載以及加速度對壓電換能器輸出電壓和功率密度的影響規(guī)律。
　　根據(jù)上述理論研究，本文建立了能量收集測試系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，懸臂梁式能量收集器的共振頻率可由末端質(zhì)量塊進行調(diào)節(jié)，具有一定厚度的陶瓷片，在共振頻率處，當(dāng)負(fù)載阻抗與陶瓷片內(nèi)阻相匹配時其輸出功率密度達(dá)到2.83mw/cm3