一種適配於道路振動俘能技術的壓電陶瓷配方、製備方法及其應用與流程
2024-04-12 17:54:05 1
1.本發明涉及一種適配於道路振動俘能技術的壓電陶瓷配方、製備方法及其應用。
背景技術：
2.基於壓電效應的道路振動俘能技術由於其力電轉換效率高、結構簡單、不受電磁幹擾等特點，可以為交通設施監測設備、無線傳感器供電，實現複雜服役環境下交通設施的全壽命周期監測。各國學者基於道路振動俘能技術做出了大量的研究，包括了壓電換能器的結構、壓電能量收集電路以及壓電換能器封裝。目前在實測道路測試中，基於改進型鼓式結構的rpeh的能量收集功率密度可以達到每平方米數百瓦級別，這展現了壓電俘能技術為交通附屬設備供電方面的巨大潛力。壓電陶瓷材料作為壓電換能器的核心部件對於能量收集起著至關重要的作用，其中，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷由於優異的壓電與介電性能成為道路壓電採集裝置中最廣泛的壓電材料。
3.壓電陶瓷在道路複雜服役環境下大面積應用需要滿足兩個個條件，以達到道路條件下的最優發電性能。(1)道路日常使用溫度在-10℃-80℃，而壓電陶瓷在周圍環境超過居裡溫度時，壓電性會隨即失效，為保證壓電陶瓷性能穩定性，一般規定其居裡溫度是周圍環境溫度的兩倍。(2)壓電電荷常數與居裡溫度呈反比，而陶瓷的壓電電荷常數越大，發電性能越優。需要通過元素摻雜來使得陶瓷居裡溫度滿足下達到最大的壓電電荷常數。關於陶瓷元素摻雜的研究已經十分成熟，但針對道路耦合作用下的壓電陶瓷配方研究尚未涉及。
技術實現要素：
4.針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷配方及製備方法，在滿足道路使用條件下得到最優的發電性能，得到了壓電性能好、機電耦合係數高、介電常數大的壓電陶瓷，為道路壓電俘能技術的發展奠定了良好的基礎，且能應用到道路振動俘能技術領域上。
5.為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：一種適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷配方，該壓電陶瓷配方主要由主體成分與附加成分組成，主體成分為：pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
ti
0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3,其中：0.7≤x≤0.75，0.02≤y≤0.06，0.95≤z≤0.98，附加成分為主體成分質量的0.2wt％caco3以及0.05wt％cdco3。
6.一種適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的製備方法，包括以下步驟：
7.s1：配料
8.將四氧化三鉛、二氧化鈦、二氧化鋇、碳酸鍶、碳酸鋇、三氧化二銻、五氧化二鈮、碳酸鈣和碳酸鋇分別單獨置於電熱鼓風乾燥箱中，在120℃-150℃溫度下乾燥7小時，然後按照原料組成式pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
ti
0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3其中：0.7≤x≤0.75，0.02≤y≤0.06，0.95≤z≤0.98以及佔主體成分質量比0.2wt％caco3和0.05wt％cdco3進行稱量混合均勻，將上述原料置於行星球磨機中球磨7小時，然後再將原料烘乾；
9.s2：預燒
10.將混合好的粉料置於氧化鋁坩堝中，加蓋密封，放入高溫預燒爐進行預燒結，升溫至960℃-1000℃之後，合成2.5小時；
11.s3：二次球磨
12.將預燒之後的塊狀粉料進行研磨，研碎後加入10％聚乙烯醇粘合劑、鋯球以及去離子水在行星球磨機上球磨7小時；
13.s4：成型以及排塑
14.將球磨後得到的物料，通過300目篩網。再將漿料置於離心造粒乾燥機製成具有流動性的粉體，對得到的粉體用直徑15mm和65mm的模具在8-10mpa的壓力下成型，將成型後的胚體置於冷等靜壓機施加200mpa的均勻液壓。然後將胚體置於高溫排膠爐中以2℃-5℃/min的速率升溫至800℃，保溫30min，排除有機物；
15.s5：燒結
16.胚體採用倒置坩堝埋置燒結，在箱式燒結爐中以3℃-6℃/min的速率升溫至1300℃-1350℃，保溫3小時，燒結成瓷，然後隨箱冷卻。燒結成瓷的兩種規格壓電陶瓷，直徑15mm用來做壓電性能測試，直徑65mm用來做鼓式換能器做電學性能測試。
17.s6：切片
18.燒結後的65mm直徑壓電陶瓷放置於線切割機切割成0.2mm的薄片。
19.s7：燒銀
20.燒結後的壓電陶瓷兩面打磨光滑，用立式絲網印刷機在其表面塗抹上電子導電銀漿，然後放入電熱鼓風乾燥箱中烘乾。將壓電陶瓷片置於高溫燒銀爐，升溫至750℃-800℃保溫20min，隨爐冷卻；
21.s8：極化
22.將燒銀後的壓電陶瓷片置於高溫矽油中，在極化溫度為70℃-120℃，極化時間為5-25min，極化電壓為2.75kv/mm-3.75kv/mm的條件下進行極化；
23.s8：測試壓電性能
24.極化後的15mm直徑壓電陶瓷標準片常溫放置24小時後測試其壓電性能，同時，測試其xrd圖譜、sem圖像以及介溫圖譜。
25.s9:製備鼓式壓電換能器測試其道路疲勞性能
26.極化後的65mm直徑壓電陶瓷片與304不鏽鋼鋼片用結構膠粘結，放入電熱鼓風乾燥箱75
°
固化5h。製備好的鼓式壓電換能器放入三通道疲勞試驗機測試其疲勞性能。
27.本發明的又一目的是提供了一種適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的製備方法製備得到適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷。
28.此外，本發明還提供了一種適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的製備方法製備得到適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷在道路能量收集利用技術領域的應用，其特徵在於，壓電陶瓷通過貼片，固化製備成鼓式壓電換能器。
29.本發明的有益效果：
30.(1)基於壓電效應的振動俘能技術由於具有力電轉換效率高、結構簡單、不受電磁幹擾等優點，可以為交通基礎設施監測裝備供電，解決中低功耗無線傳感器供電難，布線難，傳輸難的問題，實現複雜服役環境下交通基礎設施的全壽命周期監測。
31.(2)本發明提供了一種能夠與道路俘能應用高度契合的壓電陶瓷配方，經過配料、預燒、二次球磨、成型及排塑、燒結、切片、燒銀、極化得到了道路振動耦合作用下性能優異的壓電陶瓷片，成功實現了滿足道路壓電材料居裡溫度條件下最優壓電電荷常數d33＝857pc/n。
32.(3)此配方經過貼片，固化製備成鼓式壓電換能器，放置於三通道疲勞試驗機，在位移為0.5mm，頻率10hz的條件下常溫持續加載60h，開路壓電退化率僅為0.86％，具有道路發電長期穩定性，為道路壓電俘能技術的發展奠定了良好的基礎。
附圖說明
33.圖1為本發明實例中自供電道路振動俘能技術系統的結構示意圖；
34.圖2為本發明實例中製備適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷配方的流程示意圖；
35.圖3為本發明實例中製備適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的xrd圖譜；
36.圖4為本發明實例中製備適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的sem圖；
37.圖5為本發明實例中製備適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的介電溫普圖；
38.圖6為本發明實例中製備適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷鼓式換能器開路電壓波形圖。
39.附圖標記：1、中繼器；2、無線網絡；3、數據處理中心；4、壓電換能器；5、儲能裝置；6、交通附屬設備；7、瀝青混凝土面層；8、水泥碎石穩定層；9、碎石墊層；10、電子精密天平；11、行星球磨機；12、高溫箱式燒結爐；13、離心造粒乾燥機；14、電動壓片機；15、冷等靜壓機；16、線切割機；17、立式絲網印刷機；18、耐壓測試儀；19、psn-pzt壓電陶瓷；20、測試模擬軟體；21、伺服電機控制器；22、泰克示波器；23、三通道疲勞試驗機；24、鼓式壓電換能器單元。
具體實施方式
40.為更進一步闡述本發明為實現預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明的具體實施方式、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。
41.一種適配道路俘能技術的壓電陶瓷配方，該壓電陶瓷配方主要由主體成分與附加成分組成，主體成分為pb
x
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1-x-y
(zr
0.54
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0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3,其中：0.7≤x≤0.75，0.02≤y≤0.06，0.95≤z≤0.98，附加成分為主體成分質量的0.2wt％caco3以及0.05wt％cdco3，主要成分包括pb3o4，tio2，zro2，baco3，srco3，sb2o3和nb2o5，所述pb3o4，tio2，zro2，baco3，srco3，sb2o3和nb2o5，caco3，cdco3為分析純。
42.實施例1：
43.參照圖2至圖5所示，一種適配道路俘能技術的壓電陶瓷配方的製備方法，
44.s1：配料，按照化學式pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
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0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3，將四氧化三鉛、二氧化鈦、二氧化鋇、碳酸鍶、碳酸鋇、三氧化二銻、五氧化二鈮、碳酸鈣和碳酸鋇分別單獨置於電熱鼓風乾燥箱中，在120℃-150℃溫度下乾燥7小時，與0.2wt％caco3和0.05wt％cdco3進行稱量混合均勻，將上述原料置於行星球磨機中球磨7小時，然後再將原料烘乾；
45.s2：預燒，將混合好的粉料置於氧化鋁坩堝中，加蓋密封，放入高溫預燒進行預燒結，升溫至960℃-1000℃之後，合成2.5小時；
46.s3：二次球磨
47.將預燒之後的塊狀粉料進行研磨，研碎後加入10％聚乙烯醇粘合劑、鋯球以及去離子水在行星球磨機上球磨7小時；
48.s4：成型
49.將球磨後得到的物料，通過300目篩網過濾，再將漿料置於離心造粒乾燥機製成具有流動性的粉體，對得到的粉體分成兩份，其中一份用直徑15mm和另外一份用直徑65mm的模具在8-10mpa的壓力下成型，將成型後的胚體置於冷等靜壓機施加200mpa的均勻液壓。
50.s5：排塑
51.將胚體置於高溫排膠爐中以2℃-5℃/min的速率升溫至800℃，保溫30min，排除有機物。
52.s6：燒結
53.直徑15mm胚體和直徑65mm胚體採用倒置坩堝埋置燒結，在箱式燒結爐中以3℃-6℃/min的速率升溫至1300℃-1350℃，保溫3小時，燒結成瓷，然後隨箱冷卻，直徑15mm的壓電陶瓷用來做壓電性能測試，徑65mm的壓電陶瓷用來做鼓式換能器做電學性能測試。
54.s7：切片
55.燒結後的65mm直徑壓電陶瓷放置於線切割機切割成0.2mm的薄片；
56.s8：燒銀
57.燒結後的壓電陶瓷兩面打磨光滑，用立式絲網印刷機在其表面塗抹上電子導電銀漿，然後放入電熱鼓風乾燥箱中烘乾，至於高溫燒銀爐，升溫至750℃-800℃保溫20min，隨爐冷卻；
58.s9：極化
59.將燒銀後的壓電陶瓷片置於高溫矽油中，在極化溫度為70℃-120℃，極化時間為5-25min，極化電壓為2.75kv/mm-3.75kv/mm的條件下進行極化。
60.s10：測試壓電性能
61.極化後的15mm直徑壓電陶瓷標準片常溫放置24小時後測試其壓電性能並測試燒結陶瓷xrd圖譜、sem圖像以及介溫圖譜。
62.s11：製備鼓式壓電換能器測試其道路疲勞性能
63.極化後的65mm直徑壓電陶瓷片與304不鏽鋼鋼片用結構膠粘結，放入電熱鼓風乾燥箱75℃固化5h，製備好的鼓式壓電換能器放入三通道疲勞試驗機測試其疲勞性能。
64.主體成分為pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
ti
0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3,其中：x＝0.74；y＝0.05；z＝0.98,
65.表一為實施例1的壓電性能測試表
[0066][0067]
通過實施例1製備方法獲得的適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷擁有優異的壓電性能、介電性能。壓電陶瓷極化對溫度有較大的依賴性，在70℃時有最優壓電電壓常數855pc/n、相對介電常數3405、機電耦合係數0.76、機械品質因數34.67，介電損耗2.85％，低溫極化性能較優，為陶瓷大批量生產提供了新思路，大大提高了極化工藝效率。壓電陶瓷極化時間參數有最優值，在15min時有最優壓電電壓常數857pc/n、相對介電常數3396、機電耦合係數0.79、機械品質因數33.9，介電損耗2.95％。隨著極化電場的增加，壓電陶瓷的d33、kp、qm不斷增大，時有最優壓電電壓常數857pc/n、相對介電常數3405、機電耦合係數0.76、機械品質因數38.01，介電損耗2.85％。
[0068]
實施例二與上述實施例一不同的在於：
[0069]
主體成分為pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
ti
0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3,其中：x＝0.74；y＝
0.05；z＝0.99,
[0070]
表二為實施例2的壓電性能測試表
[0071][0072]
通過實施例2製備方法獲得的適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷擁有優異的壓電性能、介電性能。壓電陶瓷極化對溫度有較大的依賴性，在70℃時有最優壓電電壓常數695pc/n、相對介電常數3103、機電耦合係數0.58、機械品質因數39.05，介電損耗1.96％，低溫極化性能較優，為陶瓷大批量生產提供了新思路，大大提高了極化工藝效率。壓電陶瓷極化時間參數有最優值，在15min時有最優壓電電壓常數703pc/n、相對介電常數3099、機電耦合係數0.62、機械品質因數38.185，介電損耗1.84％。隨著極化電場的增加，壓電陶瓷的d33、kp、qm不斷增大，時有最優壓電電壓常數704pc/n、相對介電常數2918、機電耦合係數0.54、機械品質因數38.55，介電損耗1.87％。
[0073]
實施例三與上述實施例一、實施例二不同的在於：
[0074]
主體成分為pb
x
sryba
1-x-y
(zr
0.54
ti
0.46
)z(sb
0.58
nb
0.42
)
1-z
o3,其中：x＝0.74；y＝0.05；z＝0.97,
[0075]
表三為實施例3的壓電性能測試表
[0076]
[0077][0078]
通過實施例3製備方法獲得的適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷擁有優異的壓電性能、介電性能。壓電陶瓷極化對溫度有較大的依賴性，在70℃時有最優壓電電壓常數730pc/n、相對介電常數3220、機電耦合係數0.66、機械品質因數38.79，介電損耗2.13％，低溫極化性能較優，為陶瓷大批量生產提供了新思路，大大提高了極化工藝效率。壓電陶瓷極化時間參數有最優值，在15min時有最優壓電電壓常數743pc/n、相對介電常數3216、機電耦合係數0.68、機械品質因數37.951，介電損耗2.01％。隨著極化電場的增加，壓電陶瓷的d33、kp、qm不斷增大，時有最優壓電電壓常數745pc/n、相對介電常數3035、機電耦合係數0.64、機械品質因數38.304，介電損耗2.04％。
[0079]
參照圖1、圖6所示：一種採用適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷的製備方法製備得到適配道路振動俘能技術的壓電陶瓷，將壓電陶瓷通過貼片，固化製備成鼓式壓電換能器，應用在道路能量收集利用上。
[0080]
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然而並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡介修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。