压电陶瓷能量转换存储技术及其压电发电机开发研究

利用压电的方法收集环境中的振动能量或人体运动产生的机械能，将其转换成电能并存储,构造便携式微型发电机，为微功率电子器件提供动力。提出3种不同结构的发电机,研究压电陶瓷的机电能量转换机理和能量电能存储特性。进行悬臂梁压电振子的动力学分析，从理论上研究压电振子结构参数、多压电振子的联接方式和压电振子的激励方对压电发电装置发电特性的影响规律，建立预测悬臂梁压电振子的机电能量转换能力的数学模型。设计制作3种结构的压电发电机的试验样机和相应的能量存储电路，试验测试激励方式、压电振子机械结构参数、动力学参数以及能量存储电路等对压电陶瓷能量转换和存储效率的影响关系，确定不同结构发电机的最优的机械结构参数及其能量存储方式。

压电陶瓷发声元件是一种无铅的压电陶瓷发声元件。

它主要由金属薄片与压电陶瓷薄片组成，其中，金属薄片表面上紧密贴合有2片或以上相同尺寸并依次紧密贴合的压电陶瓷薄片，相邻的压电陶瓷薄片的极化方向相反，这种新结构的压电发声器所产生的声压与压电陶瓷薄片的数量成正比，数量越多，声压越大，通过增加压电陶瓷薄片数量，轻易地实现所需的大声压，其生产工艺简单，生产成本较低。2100433B

压电陶瓷介电性及弹性性质

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε₀来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε₀为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: X_mn=c_mnpqx_mnpq, 式中c_mnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。

压电陶瓷压电陶瓷的压电性

压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u₁₂为压电能, u₁为弹性能, u₂为介电能。

压电陶瓷压电特性的物理机制

经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。

压电陶瓷其他特性

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

铋层状结构压电陶瓷具有高的居里温度，可用作高温压电传感器的核心元件，在航天航空、核能和冶金等军事和民用领域有广泛的应用。但居里温度超过900 oC的压电陶瓷材料种类稀少，压电性能很弱。本项目拟以我们近期成功制备的高性能超高温CaBi2Nb2O9压电陶瓷材料（d33=16 pC/N）为切入点，展开对超高温CaBi2Nb2O9陶瓷的性能调控和晶粒定向研究，拟分别采用热压和模板晶粒生长法制备织构化CaBi2Nb2O9陶瓷。在模板晶粒生长法制备中，以针状Ca2Nb2O7为模板晶粒，制备取向度高、压电铁电性能好的织构化CaBi2Nb2O9陶瓷材料，探究晶粒的生长机制，最终获得居里温度在900 oC左右，压电常数d33不低于30 pC/N 的高性能超高温CaBi2Nb2O9压电陶瓷材料。同时我们将探索高性能超高温压电材料的制备新途径，寻求研制高性能超高温压电陶瓷的理论指导。