用于人体动能收集的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷研究
发布时间：2021-11-27 07:35
作为最丰富的绿色能源之一,人体动能因压电能量收集器（压电纳米发电机,PENG）和可穿戴电子产品的蓬勃发展而备受青睐。多年来,锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷一直主导压电电子设备的应用市场,但其高铅含量对人体和环境均造成严重危害。鉴于锆钛酸钡钙（BCZT）的绿色无铅性和与PZT媲美的高压电性,开发环境友好型柔性BCZT压电陶瓷用于人体动能收集,对清洁能源的有效利用和可穿戴电子设备的实际应用具有重要意义。本论文针对PZT压电陶瓷的高铅毒性和传统BCZT无铅压电陶瓷无法用于柔性电子器件等问题,提出了 AB位离子共调控思路,平衡了 BCZT基无铅压电陶瓷的烧结、相变和电学特性,实现了其陶瓷纤维及薄膜对人体动能的收集,建立了硬性陶瓷与柔性电子设备的应用桥梁。且开发了柔性BCZT基压电-摩擦电复合器件,改善了输出特性和对人体微小动作的灵敏度,展示了其在可穿戴电子设备领域的良好应用前景。本论文取得创新性成果如下:（1）采用Cu2+和Y3+共同调控BCZT结构的AB位,考察了 Cu/Y掺杂对BCZT体系烧结、相变以及电学性能的影响规律。探明了体系烧结和相变特性的改善分别归因于氧空位生成加速传质过程和Cu/Y...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２压电效应示意图（ＩＩ）??
?第１章引言???收集器的开发提供了良好的基础条件。然而，具备六方纤锌矿晶体结构的压电半??导体通常压电系数偏低，故在一定程度上限制了其实际应用。??图１．３六方纤锌矿晶体结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｗｕｒｔｚｉｔｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??作为最常见的压电陶瓷结构，钙钛矿结构广泛存在于各类铅基（如ＰＺＴ、??ＰｂＴｉＣｂ等）和无铅（如ＢａＴｉ０３，?ＫＮＮ，?ＫＮｂ０３等）压电陶瓷中。图１．４ａ为一个??典型的顺电相钙钛矿结构晶胞，其结构通式可由ＡＢ０３表示。其中，半径较大的??Ａ原子和０原子分别占据六面体的各个顶点和面心位置，而半径较小的Ｂ原子??则占据整个结构的中心位置。此时，整个体系呈中心对称，正负电荷中心重合，??故不发生极化，也不表现出压电性。但当温度降低到居里温度（Ｔｃ）以下时，Ｂ??原子会因偏移中心位置而使正负电荷中心偏移（图１．４ｂ），体系发生自发极化，??从而导致铁电性和压电性的产生。??—“十―产＃？今一?｜?擊??＂＾?Ａ?＋｜??＾?？?Ｂ?＇、、‘］?ｙ??０?丄＇．：◎?Ｏ?＿?ｎ?＾??０：?＾?■?０＂?〇……??图１．４钓钛矿结构：ａ）顺电相和ｂ）铁电相??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：?ａ）?ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ?ａｎｔｉ?ｂ）?ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ??５??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Structure and Piezoelectric Properties of Lead-Free Na0.5Bi0.5TiO3 Nanofibers Synthesized by Electrospinning[J]. Di Zhou,Youhua Zhou,Yu Tian,Yafang Tu,Guang Zheng,Haoshuang Gu. Journal of Materials Science & Technology. 2015(12)
[2]从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展——无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一[J]. 赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍,鄢洪建. 功能材料. 2003(03)
[3]Pb(Sb2/3Mn1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3三元系滤波器用的低Kp压电瓷料[J]. 魏文林,徐慧芳,陈建飞. 压电与声光. 1979(05)
本文编号：3521828
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２压电效应示意图（ＩＩ）??
?第１章引言???收集器的开发提供了良好的基础条件。然而，具备六方纤锌矿晶体结构的压电半??导体通常压电系数偏低，故在一定程度上限制了其实际应用。??图１．３六方纤锌矿晶体结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｗｕｒｔｚｉｔｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??作为最常见的压电陶瓷结构，钙钛矿结构广泛存在于各类铅基（如ＰＺＴ、??ＰｂＴｉＣｂ等）和无铅（如ＢａＴｉ０３，?ＫＮＮ，?ＫＮｂ０３等）压电陶瓷中。图１．４ａ为一个??典型的顺电相钙钛矿结构晶胞，其结构通式可由ＡＢ０３表示。其中，半径较大的??Ａ原子和０原子分别占据六面体的各个顶点和面心位置，而半径较小的Ｂ原子??则占据整个结构的中心位置。此时，整个体系呈中心对称，正负电荷中心重合，??故不发生极化，也不表现出压电性。但当温度降低到居里温度（Ｔｃ）以下时，Ｂ??原子会因偏移中心位置而使正负电荷中心偏移（图１．４ｂ），体系发生自发极化，??从而导致铁电性和压电性的产生。??—“十―产＃？今一?｜?擊??＂＾?Ａ?＋｜??＾?？?Ｂ?＇、、‘］?ｙ??０?丄＇．：◎?Ｏ?＿?ｎ?＾??０：?＾?■?０＂?〇……??图１．４钓钛矿结构：ａ）顺电相和ｂ）铁电相??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：?ａ）?ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ?ａｎｔｉ?ｂ）?ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ??５??
?第１章引言???收集器的开发提供了良好的基础条件。然而，具备六方纤锌矿晶体结构的压电半??导体通常压电系数偏低，故在一定程度上限制了其实际应用。??图１．３六方纤锌矿晶体结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｗｕｒｔｚｉｔｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??作为最常见的压电陶瓷结构，钙钛矿结构广泛存在于各类铅基（如ＰＺＴ、??ＰｂＴｉＣｂ等）和无铅（如ＢａＴｉ０３，?ＫＮＮ，?ＫＮｂ０３等）压电陶瓷中。图１．４ａ为一个??典型的顺电相钙钛矿结构晶胞，其结构通式可由ＡＢ０３表示。其中，半径较大的??Ａ原子和０原子分别占据六面体的各个顶点和面心位置，而半径较小的Ｂ原子??则占据整个结构的中心位置。此时，整个体系呈中心对称，正负电荷中心重合，??故不发生极化，也不表现出压电性。但当温度降低到居里温度（Ｔｃ）以下时，Ｂ??原子会因偏移中心位置而使正负电荷中心偏移（图１．４ｂ），体系发生自发极化，??从而导致铁电性和压电性的产生。??—“十―产＃？今一?｜?擊??＂＾?Ａ?＋｜??＾?？?Ｂ?＇、、‘］?ｙ??０?丄＇．：◎?Ｏ?＿?ｎ?＾??０：?＾?■?０＂?〇……??图１．４钓钛矿结构：ａ）顺电相和ｂ）铁电相??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：?ａ）?ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ?ａｎｔｉ?ｂ）?ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｐｈａｓｅ??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Structure and Piezoelectric Properties of Lead-Free Na0.5Bi0.5TiO3 Nanofibers Synthesized by Electrospinning[J]. Di Zhou,Youhua Zhou,Yu Tian,Yafang Tu,Guang Zheng,Haoshuang Gu. Journal of Materials Science & Technology. 2015(12)
[2]从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展——无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一[J]. 赁敦敏,肖定全,朱建国,余萍,鄢洪建. 功能材料. 2003(03)
[3]Pb(Sb2/3Mn1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3三元系滤波器用的低Kp压电瓷料[J]. 魏文林,徐慧芳,陈建飞. 压电与声光. 1979(05)
本文编号：3521828
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