一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于压电材料，具体公开了一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，包括依次复合的第一导电膜、压电陶瓷阵列层和第二导电膜；所述的压电陶瓷阵列层包括若干按阵列排列的压电陶瓷柱，以及分散在各压电陶瓷柱之间的封装材料；所述的压电陶瓷柱具有沿高度方向的取向通孔，且孔隙率为40~60%；各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm。本发明专利技术还包括所述的材料的制备和应用。本发明专利技术中，基于所述的特殊取向的多孔陶瓷和阵列设置的联合控制，能够实现协同，能够赋予材料的优异柔性，此外，还能够改善压电输出性能。压电输出性能。压电输出性能。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及压电陶瓷
，具体涉及柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件


技术介绍

[0002]能量收集 (Energy Harvesting) 技术已展现出为无线传感器节点供电的巨大潜力，有望在智能交通、智能车辆、智能医疗、人机界面和安全设备等多种物联网系统全面普及。能量收集技术可利用光伏、热电、压电、电磁等各种效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、机械能、风能等能量转换成可以使用的电能。但是太阳能、风能、潮汐能、地热能等均只适用于特定的地理环境中，不能满足离散程度大、分布范围广的物联网传感器的供电需求。机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，广泛存在于普通家庭设备、工业设备、交通工具、建筑物环境以及人体活动等各个场景中。
[0003]相对于其他可再生能源，机械振动能更适合微型能量收集器件，如手指敲击、脉搏跳动、呼吸等产生的微小振动均可以被收集。且不同于太阳能、风能等强烈依赖自然环境发电，振动能量收集受环境的影响很小。振动能量收集技术主要有四种：电磁式、静电式、摩擦式和压电式。其中，压电器件以其结构简单、设计灵活、易于制造、信噪比优异、普适性强等特点成为了目前解决能源问题的研究热点。
[0004]压电陶瓷基复合材料作为压电能源器件的关键核心功能元件，目前最常见的柔性化策略是将压电陶瓷和有机聚合物复合制备成压电复合材料，但是与纯陶瓷相比，这种方式降低了整体器件的压电性能，导致器件的输出电压、电流偏低。因此，通过压电材料的结构设计，在保持较高柔性的同时具有高的压电输出性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有压电陶瓷发电器件存在柔性差、压电输出性能不理想的问题，本专利技术第一目的在于，提供一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，旨在提供一种兼顾柔性以及高电压、电流输出能力的压电陶瓷发电器件。
[0006]本专利技术第二目的在于，提供所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的制备方法，旨在制备得到所述兼顾优异柔性和高压电输出能力的压电陶瓷发电器件。
[0007]本专利技术第三目的在于，提供所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件在低频能量收集装置特别是智能穿戴装置制备中的应用。
[0008]陶瓷材料的脆性大，特别是多孔的陶瓷材料，其结构更容易坍塌粉化，难于实现阵列化、柔性化，难于获得兼顾柔性和高压电性能的器件，针对该问题，本专利技术提供以下解决方案：一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，包括依次复合的第一导电膜、压电陶瓷阵列层和第二导电膜；所述的压电陶瓷阵列层包括若干按阵列排列的压电陶瓷柱，以及分散在各压电陶
瓷柱之间的封装材料；所述的压电陶瓷柱具有沿高度方向的取向通孔，且孔隙率为40~60%；各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm。
[0009]针对多孔陶瓷容易粉化，难于实现柔性和高压电输出兼顾的问题，本专利技术研究发现，创新地将具有高度方向取向通孔的压电陶瓷柱按所述的阵列方式设置构成压电器件，进一步配合孔隙率以及阵列排列方式的联合控制，如此能够意外地实现协同，能够赋予器件优异的柔性，此外，还能够协同改善压电电压和电流输出效果。
[0010]本专利技术所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其包括第一导电层，复合在第一导电层的压电陶瓷阵列层，以及复合在压电陶瓷阵列层表面的第二导电层；所述的压电陶瓷阵列层包括若干呈阵列排布的压电陶瓷柱，各压电陶瓷柱的底面和第一导电层复合，顶面和第二导电层复合。所述的各压电陶瓷柱具有贯穿高度方向（底面至顶面）的通孔。本专利技术中，所述的压电陶瓷柱沿高度方向的取向通孔、孔结构控制、阵列及其设置参数联合控制是协同改善所述材料性能，使其兼顾柔性和优异压电输出性能的关键。
[0011]作为优选，所述的压电陶瓷柱的孔隙率为42~52%。研究发现，在该优选的通孔下，能够获得更优的柔性性能，此外，还能够表现出更优的压电电压和电流输出能力。
[0012]作为优选，压电陶瓷柱的孔径大小为10~100 μm，进一步优选为20~40 μm。
[0013]本专利技术中，所述的压电陶瓷柱的材料为PZT；优选为PZT
‑
5A、PZT
‑
5H、PZT
‑
5J、PZT
‑
2、PZT
‑
4A、PZT
‑
4D、PZT
‑
4E、PZT
‑
8、 PZT
‑
5D、PZT
‑
5X中的至少一种。
[0014]本专利技术中，所述的压电陶瓷柱的形状没有特别要求，可根据需要进行调整，例如，所述的压电陶瓷柱的横截面为正方形、长方形、圆形或椭圆形。出于加工以及压电输出电流和电压的考虑，所述的所述的压电陶瓷柱的横截面为正方形或长方形。
[0015]本专利技术中，所述的压电陶瓷柱可根据任意需要的阵列图案进行排列。优选地，所述的压电陶瓷柱按正方形或长方形的阵列图形进行排列。
[0016]本专利技术中，在所述的压电陶瓷柱的高度方向的取向多孔下，进一步配合压电陶瓷柱的间距控制，有助于进一步协同改善器件的柔性和压电电压
‑
电流输出能力。
[0017]作为优选，所述的相邻压电陶瓷柱的间距为2~2.5mm。
[0018]作为优选，所述的压电陶瓷柱的周长小于或等于10mm，优选为1~6mm。
[0019]作为优选，压电陶瓷柱的高度为1~10 mm，进一步优选为2~6 mm，进一步优选为2~3mm。
[0020]本专利技术中，压电陶瓷柱的数量可器件的大小进行调整，例如，可以为(3~10)*(3~10)。
[0021]本专利技术中，所述的第一导电膜、第二导电膜的材料可以是行业内公知的材料，例如可以是常规的靠近阵列面导电，背靠阵列面绝缘的公知材料，具体可以为ITO、镍铜镀银导电布中的至少一种。
[0022]本专利技术中，所述的压电陶瓷阵列通过导电胶和第一导电膜以及第二导电膜复合。所述的导电胶可以是行业内公知的具有导电和粘结能力的成分。
[0023]作为优选，各压电陶瓷柱的底面均与第一导电膜导电连接，顶面均与第二导电膜导电连接。本专利技术中，该结构下有助于进一步改善输出效果和稳定性。
[0024]优选地，第一导电膜、第二导电膜分别设置有导线。
[0025]优选地，所述的封装材料为绝缘材料，进一步优选为PDMS Sylgard 184、PDMS Sylgard 186、PDMS MIX、Ecoflex 00
‑
30、Ecoflex 00
‑
10、Ecoflex 00
‑
50中的至少一种。
[0026]本专利技术还提供了一种所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的制备方法，步骤包括：步骤(1)：采用冰模板法制备得到在高度方向具有取向通孔的多孔压电陶瓷块，将其极化后切割形成压电陶瓷柱；所述的多孔压电陶瓷块的孔隙率为40~60%本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，包括依次复合的第一导电膜、压电陶瓷阵列层和第二导电膜；所述的压电陶瓷阵列层包括若干按阵列排列的压电陶瓷柱，以及分散在各压电陶瓷柱之间的封装材料；所述的压电陶瓷柱具有沿高度方向的取向通孔，且孔隙率为40~60%；各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm。2.如权利要求1所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的材料为PZT；优选为PZT
‑
5A、PZT
‑
5H、PZT
‑
5J、PZT
‑
2、PZT
‑
4A、PZT
‑
4D、PZT
‑
4E、PZT
‑
8、 PZT
‑
5D、PZT
‑
5X中的至少一种。3.如权利要求1所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱的横截面为正方形、长方形、圆形或椭圆形；优选地，所述的压电陶瓷柱的孔隙率为42~52%。4.如权利要求1所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的压电陶瓷柱按正方形或长方形的阵列图形进行排列；优选地，所述的相邻压电陶瓷柱的间距为2~2.5mm。5.如权利要求1所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，压电陶瓷柱的高度为1~10 mm，进一步优选为2~6 mm。6.如权利要求1所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，其特征在于，所述的第一导电膜、第二导电膜的材料分别为ITO膜、镍铜镀银导电布中的至少一种；各压电陶瓷柱的底面均和第一导电膜导电连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张妍，徐倩倩，张建勋，张斗，周科朝，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：