俘能器用压电陶瓷及其复合材料的制备与测试

论文摘要

自从首次压电效应发现以来,压电材料及其应用迅速发展。从最开始的压电晶体、压电陶瓷,到目前的纳米压电复合材料和压电纳米纤维等都,反应出了科技的发展。随着无线传感器网络的迅速发展,如何为无线传感器网络节点提供能量来源成为人们关注的重点,压电俘能器在各种俘能方案中是最具潜力的一种。同时,随着人们对环境保护的日趋重视,无铅压电材料也越来越受到重视。因此,本论文以俘能器采用的压电材料为对象,进行了制备和测试研究,具体内容如下:（1）利用锆钛酸铅（PZT）压电片作为俘能元件,利用标准的能量收集电路和示波器,测得来自激振系统的振动经过压电片和电路转换后输出到负载电阻上的电压和功率。发现测试得到的电压随频率的变化先增大后减小。当频率为68 Hz时其最大的输出电压为2.75 V;当负载电阻为4.57 kΩ时候,最大输出功率为0.64μW,此时频率为80 Hz。（2）采用传统的固相法制备了Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 （BZT-xBCT或BZT-BCT）体系的无铅压电陶瓷,采用XRD和SEM表征了其物相结构和形貌,并测试了其压电、铁电和介电性能。测试了不同的烧结温度,对BZT-BCT体系陶瓷的压电、铁电和介电性能。实验结果显示,1350°C烧结的BZT-BCT压电陶瓷其压电常数d33最大,可达230 pC/N,与传统含铅材料PZT-8相当。同时,在此温度下烧结的陶瓷具有较好的介电和铁电性能。（3）用混合热压法制备了含铅的PZT/PVDF压电复合材料和无铅的BZT-BCT/PVDF压电复合材料,研究了两种材料中陶瓷的体积分数对其复合材料压电常数d33的影响。研究结果表明随着陶瓷的体积分数的增加,压电常数均随之增加。通过对比还发现,在陶瓷的体积分数约为60%时,BZT-BCT/PVDF复合材料的压电常数与传统PZT/PVDF性能相当。这一结果表明,无铅压电材料有可能取代传统的PZT陶瓷材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 压电效应与压电方程
• 1.1.1 压电效应及其简史
• 1.1.2 压电方程
• 1.2 压电材料
• 1.3 压电俘能研究背景
• 1.4 本论文的选题依据及结构安排
• 第2章 PZT 压电陶瓷的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 原料及实验仪器
• 2.2.2 球磨
• 2.2.3 PZT 成型工艺
• 2.2.4 预烧排塑
• 2.2.5 PZT 烧结工艺
• 2.2.6 极化
• 2.3 物相分析
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 性能测试方法
• 2.4.2 输出电压和功率与振动频率的关系
• 2.5 本章小结
• 第3章 PZT/PVDF 复合压电材料的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.1.1 PVDF 晶型及其压电性
• 3.1.2 压电复合材料的连通性
• 3.2 PZT/PVDF 的制备
• 3.2.1 β 相PVDF 的制备与表征
• 3.2.2 0-3 型PZT/PVDF 的制备
• 3.3 PZT/PVDF 复合材料的表征
• 3.4 本章小结
• 第4章 BZT-BCT 无铅压电陶瓷及其复合材料的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 BZT-BCT 的制备
• 4.3 BZT-BCT 的表征
• 4.3.1 BZT-BCT 陶瓷的相结构
• 4.3.2 BZT-BCT 陶瓷的微观形貌
• 4.3.3 压电与铁电性能
• 4.3.4 介电性能
• 4.4 BZT-BCT/PVDF 的制备及其性能测试
• 4.4.1 BZT-BCT/PVDF 复合压电材料的制备
• 4.4.2 BZT-BCT/PVDF 复合材料的性能测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文