基于准同型相界迁移调控的BZT-BCT基陶瓷的组成设计与能量收集特性研究

In the micro-sensor network construction, environment-friendly lead-free piezoelectric energy harvesters, which can capture ubiquitous vibrational energy in the environment for clean power generation, to replace or reduce the use of external power supply and battery, are the current international research frontier of new energy and Internet of Things. The key to construct lead-free piezoelectric energy harvester with excellent power generation characteristics is reliable synthesis of lead-free piezoelectric ceramics with high electromechanical conversion and mechanical properties. The project intends to combine the existing research to carry out the construction study of Ba(Zr,Ti)O3–(Ba,Ca)TiO3 fine-grained ceramic with high electromechanical conversion and mechanical properties, which has an important application prospect in piezoelectric energy harvesting. It is a solid foundation to explore the intrinsic link between the shift of morphotropic phase boundary and the trend of dielectric and piezoelectric performance, and to propose a structure prediction model of lead-free piezoelectric ceramic with high electromechanical conversion performance (high piezoelectric constant and low dielectric constant) for the development of high-efficiency lead-free piezoelectric energy harvesting devices. Carrying out this project has an important scientific significance and application value, which would be helpful to break through the bottlenecks in lead-free piezoelectric energy harvesting material design and preparation process, and deepen the cognition between material composition and optimization of electromechanical performance.

在微型传感器网络建设中，环境友好的无铅压电能量收集器可捕获环境中普遍存在的振动能进行清洁发电，替代或减少外部电源及电池的使用，是当前新能源和物联网领域的国际研究前沿。构建具有优良发电特性的无铅压电能量收集器的关键在于高机电转换和高力学性能无铅压电陶瓷的可靠合成。本项目拟结合课题组现有研究基础，以在压电能量收集领域具有重要应用前景的Ba(Zr,Ti)O3–(Ba,Ca)TiO3体系为研究对象，开展高机电转换和高力学性能的细晶陶瓷构建研究。探索准同型相界定向迁移机制与介电性能和压电性能变化趋势的内在联系，提出具有高机电转换性能（同时具备高压电应变常数和低介电常数）无铅压电陶瓷结构的预测模型，为发展高效率无铅压电能量收集器件奠定坚实基础。本项目的开展将有助于突破压电能量收集用无铅材料在设计与制备过程中的瓶颈问题，深化材料组成与机电性能优化的关联性认知，具有重要的科学意义与应用价值。

众所周知，在人类生活和生产的周围环境中存在着或强或弱的振动源，如工厂内各种机器的运转引起机器、厂房的受迫振动，闹市区由于汽车跑动引起的振动等。因此，将环境中的振动能量进行回收，使其转化为可再利用的电能，具有重要的应用价值。在众多的机电能量转换方式中，压电转换不仅具有最高的能量密度，而且还具有结构简单、无电磁干扰、加工制作容易和结构上易于小型化、集成化等优点。目前，国际上压电能量收集材料的研究主要集中于性能优异的铅基压电材料，尽管这些材料性能优异，但是共同的缺点是：含铅。在铅基压电材料中，氧化铅含量大约占到原料总质量的70%左右。氧化铅毒性很强，在熔点以上（约880 ℃），会快速挥发，所以铅基材料及器件在制备，使用及废弃处理过程中，均会污染环境，给生物和人类健康带来很大危害。因而，研究和开发能量收集用高性能无铅压电陶瓷材料是一项迫切的、具有重大社会和经济价值的课题。.针对目前研究和开发能量收集用高性能无铅压电陶瓷材料这一项迫切问题，本项目以BZT–BCT陶瓷为研究对象，以大幅度提高机电转换性能为目标。重点进行了高能球磨法合成BZT–BCT基纳米粉体的关键工艺参数探索，并就机械力化学法诱导的材料结构和性能变化的基本过程进行了研究。进一步通过二步烧结法制备了晶粒尺寸系列化的无铅陶瓷材料，发现了成分驱动相界迁移规律，陶瓷显微组织与电畴形态的关系，以及与晶粒尺寸细化相关的相结构演化规律，明确了影响材料介电常数和压电常数变化趋势的关键因素，获得了具有高机电转换性能的无铅压电陶瓷材料。通过自主搭建的压电能量收集测试平台，选用悬臂梁结构对所开发的高性能无铅陶瓷材料的器件性能进行了系统研究。结果显示，所开发的的无铅压电能量收集器具有优异的发电性能，可满足低功耗微型传感器对于电能的需求。未来，在物联网中微型传感器的供能领域具有重要应用前景。