壓電陶瓷能量轉(zhuǎn)換存儲技術(shù)及其壓電發(fā)電機開發(fā)研究項目摘要

利用壓電的方法收集環(huán)境中的振動能量或人體運動產(chǎn)生的機械能，將其轉(zhuǎn)換成電能并存儲,構(gòu)造便攜式微型發(fā)電機，為微功率電子器件提供動力。提出3種不同結(jié)構(gòu)的發(fā)電機,研究壓電陶瓷的機電能量轉(zhuǎn)換機理和能量電能存儲特性。進行懸臂梁壓電振子的動力學(xué)分析，從理論上研究壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)、多壓電振子的聯(lián)接方式和壓電振子的激勵方對壓電發(fā)電裝置發(fā)電特性的影響規(guī)律，建立預(yù)測懸臂梁壓電振子的機電能量轉(zhuǎn)換能力的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計制作3種結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電機的試驗樣機和相應(yīng)的能量存儲電路，試驗測試激勵方式、壓電振子機械結(jié)構(gòu)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)以及能量存儲電路等對壓電陶瓷能量轉(zhuǎn)換和存儲效率的影響關(guān)系，確定不同結(jié)構(gòu)發(fā)電機的最優(yōu)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)及其能量存儲方式。

壓電陶瓷發(fā)聲元件是一種無鉛的壓電陶瓷發(fā)聲元件。

它主要由金屬薄片與壓電陶瓷薄片組成，其中，金屬薄片表面上緊密貼合有2片或以上相同尺寸并依次緊密貼合的壓電陶瓷薄片，相鄰的壓電陶瓷薄片的極化方向相反，這種新結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)聲器所產(chǎn)生的聲壓與壓電陶瓷薄片的數(shù)量成正比，數(shù)量越多，聲壓越大，通過增加壓電陶瓷薄片數(shù)量，輕易地實現(xiàn)所需的大聲壓，其生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本較低。2100433B

壓電陶瓷介電性及彈性性質(zhì)

壓電陶瓷的介電性是反映陶瓷材料對外電場的響應(yīng)程度，通常用介電常數(shù)ε₀來表示。在外電場不太大時, 電介質(zhì)對電場的響應(yīng)可用線性關(guān)系： 表示,P為極化強度, ε₀為真空介電常數(shù),為電極化率,E為外加電場。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。例如, 壓電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數(shù)要大, 而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數(shù)要小。

壓電陶瓷的彈性系數(shù)是反映陶瓷的形變與作用力之間關(guān)系的參數(shù)。壓電陶瓷材料同其它彈性體一樣,遵循胡克定律: X_mn=c_mnpqx_mnpq, 式中c_mnpq叫做彈性體的彈性硬度常數(shù), X 為應(yīng)力,x為應(yīng)變。對于壓電體,由于存在壓電性,彈性系數(shù)的數(shù)值與電學(xué)邊界條件有關(guān)。

壓電陶瓷壓電陶瓷的壓電性

壓電陶瓷最大的特性是具有壓電性, 包括正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機械外力作用下,介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而引起極化, 從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。在外力不太大的情況下, 其電荷密度與外力成正比, 遵循公式：

其中,δ為面電荷密度, d為壓電應(yīng)變常數(shù),T為伸縮應(yīng)力。反之,當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時,電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而被極化, 由此位移導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱之為逆壓電性。當(dāng)電場不是很強時形變與外電場呈線性關(guān)系, 遵循公式：

dt為逆壓電應(yīng)變常數(shù), 即d的轉(zhuǎn)置矩陣, E為外加電場, x為應(yīng)變。壓電效應(yīng)的強弱反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合程度,用機電耦合系數(shù)K表示, 遵循公式:

其中u₁₂為壓電能, u₁為彈性能, u₂為介電能。

壓電陶瓷壓電特性的物理機制

經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當(dāng)給陶瓷片施加一外界壓力F時，片的兩端會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。相反加以拉力會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電效應(yīng)的現(xiàn)象屬于正壓電效應(yīng)。

另外, 壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì), 而自發(fā)極化可以在外電場的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時會發(fā)生如圖所示的變化, 壓電陶瓷會有變形。然而, 壓電陶瓷之所以會有變形, 是因為當(dāng)加上與自發(fā)極化相同的外電場時, 相當(dāng)于增強了極化強度。極化強度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長。相反, 如果加反向電場,則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成機械效應(yīng)的現(xiàn)象是逆壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷其他特性

壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。

壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制做的精確控制機構(gòu)－－壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無法望其項背而面臨著被替代的命運。

鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷具有高的居里溫度，可用作高溫壓電傳感器的核心元件，在航天航空、核能和冶金等軍事和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但居里溫度超過900 oC的壓電陶瓷材料種類稀少，壓電性能很弱。本項目擬以我們近期成功制備的高性能超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料（d33=16 pC/N）為切入點，展開對超高溫CaBi2Nb2O9陶瓷的性能調(diào)控和晶粒定向研究，擬分別采用熱壓和模板晶粒生長法制備織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷。在模板晶粒生長法制備中，以針狀Ca2Nb2O7為模板晶粒，制備取向度高、壓電鐵電性能好的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷材料，探究晶粒的生長機制，最終獲得居里溫度在900 oC左右，壓電常數(shù)d33不低于30 pC/N 的高性能超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料。同時我們將探索高性能超高溫壓電材料的制備新途徑，尋求研制高性能超高溫壓電陶瓷的理論指導(dǎo)。