CN115148495A - 一种提高陶瓷片挠曲电效应的结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高陶瓷片挠曲电效应的结构及制造方法。涉及挠曲电领域，提供了该方法设计的结构包括陶瓷薄片、电极和中间隔离层。陶瓷片是将原料粉体在一定的工艺条件下，制备出较薄的陶瓷生坯，再将生坯进行烧结，得到致密的陶瓷薄片。金属电极只覆盖陶瓷的一部分，且在一端引出电极，另一端留有空余，这样的设计是为了后期形成并联结构。中间隔离层的设计是避免挠曲电效应产生的时候，上下层由于极化方向的不一致而导致的相互抵消，同时中间隔离层选择的材料为总体结构提供一定的柔韧性，为挠曲电器件的良好运行提供基础。
Description
技术领域
本发明涉及到介电智能材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种提高陶瓷片挠曲电效应的结构及制造方法。
背景技术
挠曲电效应是一种类压电力电耦合效应，其广泛存在于所有介电材料之中。挠曲电力电耦合效应可以分为：①正挠曲电效应—介电材料受非均匀应变时产生电极化，电极化强度与应变梯度成正比；②逆挠曲电效应—介电材料受非均匀电场作用时产生形变，应力与电场梯度成正比。作为智能材料与结构的新兴研究热点，挠曲电效应在大型工程结构、运输、发电等各个领域有广泛的潜在应用价值。发展挠曲电效应的应用研究，能够有效促进传感、驱动和新能源等领域的技术进步。
以利用挠曲电效应进行能量收集为例。传统电池供电具有一系列的弊端，比如寿命短、需要定期更换、污染环境等，而能量采集器将自然界中振动形式的机械能转化成电能，从环境中捕获能量为低功耗设备供电或为蓄电池充电，避免了传统电池的弊端。目前振动能转换为电能主要有三种方式：静电式，电磁式，压电式。其中静电式转换主要利用存储一定电荷量的电容极板在外界激励下产生相对位移，实现电荷的流动，但转换装置需外加电压，结构复杂，输出能量密度相对于压电式转换小。电磁式转换是利用法拉第电磁感应定律，由导电线圈和磁性部件的相对运动产生电流，但输出能量密度小、结构复杂、设备体积大，且噪音较大，抗电磁干扰能力弱，一般只适用于大型系统。压电式转换主要利用压电效应，压电材料在外界激励下产生变形，内部产生极化引起电荷的流动，从而在表面产生正负电荷。压电式发电装置具有结构简单、无电磁干扰、清洁环保和易于微型化等优点，但压电材料普遍需要经历较为苛刻的极化过程，一定程度限制了材料的使用寿命。与压电效应不同，挠曲电效应是由应变梯度诱导的电极化现象，可以存在于所有电介质材料中而不受材料对称性的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服技术背景中的不足，提供一种复合结构，实现悬臂梁振动装置在外界振源作用下俘获能量，提高挠曲电性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其结构包括陶瓷片、电极和中间隔离层；所述陶瓷片是通过一定厚度的陶瓷生坯并将生坯烧制出陶瓷片(1)；
所述电极包括上电极(2)和下电极(3)；上电极(2)和下电极(3)中间有挠曲电材料陶瓷片(1)，上电极(2)覆盖陶瓷片的上表层的一部分，在一端留有小部分空余，下电极(3)覆盖在陶瓷片的下表层的一部分，下电极(3)在上电极(2)留有空余部分的另一端留有小部分空余；每一层的上电极与下电极分别在两端引出，形成并联结构；
所述中间隔离层(4)是将两片带有上电极(2)和下电极(3)的陶瓷片(1)隔离开，同时可调整中间隔离层(4)的厚度；中间隔离层(4)具有一定的柔韧性，中间隔离层(4)的加入使整体结构具有一定程度的柔韧性。
进一步，所述的陶瓷片原料粉末是钛酸锶钡。
进一步，所述陶瓷片流延出一定厚度的陶瓷生坯，利用原料粉末、分散剂、粘结剂和去离子水调配合适的浆料，在流延机上流延出一定厚度的陶瓷片生坯。
进一步，所述陶瓷片的厚度为20～100μm。
进一步，所述上电极(1)与下电极(2)覆盖在陶瓷片上时，交替在陶瓷片的一端留有空余。
进一步，所述上电极(1)与下电极(2)分别在陶瓷片两端引出电极，形成正负极。
进一步，所述中间隔离层(4)使用的物质是聚二甲基硅氧烷PDMS具有柔性的高分子物质。
进一步，所述中间隔离层的厚度为20～100μm。
进一步，所述并联结构是含有中间隔离层的并联结构。
本发明的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构制造方法，包括以下步骤：
将一定量的钛酸锶钡粉体、去离子水、分散剂混合，加入氧化锆研磨球，球磨数小时后获得初步的钛酸锶钡浆料，接着向上述将浆料中加入粘结剂聚乙二醇，将其混合均匀之后，再加入浓度为10wt％PVA水溶液，作为粘结剂，再次球磨12h，得到钛酸锶钡的流延浆料；将上述浆料至于烧杯中，进行搅拌真空除泡数小时之后，将浆料置于流延机上进行流延成型，得到钛酸锶钡单层生坯，将生坯裁剪成合适的大小，采用“负重加压”的方式进行，即上下均加上带有防粘剂的氧化锆基板，在1235℃保温2h进行烧结，获得烧结致密的陶瓷片；
在烧结成功的陶瓷片上涂上银浆，将其干燥后，在陶瓷片的另外一面同样涂上银浆，在涂银浆的过程当中，在陶瓷片的一端预留好一定的空隙。将银浆干燥后，在马弗炉中进行烧银，得到带银电极的陶瓷片；
在带有银电极的陶瓷片上，附上PDMS，在150℃的温度下干燥10分钟，得到带有一定柔韧性的单层陶瓷片，在PDMS没有干燥的时候，可进行多层叠加，叠加后，在150℃的温度下干燥15分钟；之后，再从陶瓷片的两侧涂上银浆，引出电极，干燥后再次烧银，得到多层结构。
本发明的结构设计具有以下优点：
1.含有柔性有机物层的多层结构设计，柔性有机物层的存在，增加了脆性陶瓷片的挠曲度。
含有中间隔离层的并联结构设计，中间隔离层的设计是避免挠曲电效应产生的时候，上下层由于极化方向的不一致而导致的相互抵消。
附图说明
图1是本发明实施例一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构设计及制造方法的正面剖视图；
图2是本发明实施例一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构设计及制造方法的侧面a-a处的剖视图。
图3是本发明实施例一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构设计及制造方法的侧面b-b处的剖视图。
图4是本发明实施例一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构设计及制造方法的侧面c-c处的剖视图。
图5是本发明实施例多层陶瓷片的挠曲电极化示意图。
图6是实施例二的流延钛酸锶钡的生坯的宏观图。
图7是实施例二的流延钛酸锶钡的生坯上下表面的电镜图。
图8是实施例二的钛酸锶钡陶瓷单片烧结后的电镜图。
图9是实施例二的钛酸锶钡陶瓷片单层和双层的挠曲电系数。
图10是实施例一二三的钛酸锶钡陶瓷片单层的挠曲电系数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-4，一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其结构包括陶瓷片、电极和中间隔离层；所述陶瓷片制造出一定厚度的陶瓷生坯，并将生坯烧制出陶瓷片(1)；
所述电极包括上电极(2)和下电极(3)；上电极(2)和下电极(3)中间有挠曲电材料陶瓷片(1)，上电极(2)覆盖陶瓷片的上表层的一部分，在一端留有小部分空余，下电极(3)覆盖在陶瓷片的下表层的一部分，下电极(3)在上电极(2)留有空余部分的另一端留有小部分空余；每一层的上电极与下电极分别在两端引出，形成并联结构；
所述中间隔离层(4)是将两片带有上电极(2)和下电极(3)的陶瓷片(1)隔离开，同时可调整中间隔离层(4)的厚度；中间隔离层(4)具有一定的柔韧性，中间隔离层(4)的加入使整体结构具有一定程度的柔韧性。
进一步，所述的陶瓷片原料粉末是钛酸锶钡。
进一步，所述陶瓷片流延出一定厚度的陶瓷生坯，利用原料粉末、分散剂、粘结剂和去离子水调配合适的浆料，在流延机上流延出一定厚度的陶瓷片生坯。
进一步，所述陶瓷片的厚度为20～100μm。
进一步，所述上电极(1)与下电极(2)覆盖在陶瓷片上时，交替在陶瓷片的一端留有空余。
进一步，所述上电极(1)与下电极(2)分别在陶瓷片两端引出电极，形成正负极。
进一步，所述中间隔离层(4)使用的物质是聚二甲基硅氧烷PDMS具有柔性的高分子物质。
进一步，所述中间隔离层的厚度为20～100μm。,
实施例1：
将80g的钛酸锶钡粉体、15g的去离子水、0.28g的分散剂混合，加入120g的氧化锆研磨球，球磨12h获得初步的钛酸锶钡浆料。接着向上述将浆料中加入粘结剂聚乙二醇2.8g，将其混合均匀之后，再加入浓度为10wt％PVA水溶液40g，作为粘结剂，再次球磨12h，得到钛酸锶钡的流延浆料。将上述浆料至于烧杯中，进行搅拌真空除泡4h之后，将浆料置于流延机上进行流延成型，得到厚度为30μm的钛酸锶钡单层生坯。将生坯裁剪成合适的大小，采用“负重加压”的方式进行，即上下均加上带有防粘剂的氧化锆基板，在1235℃保温2h进行烧结，获得烧结致密的陶瓷片，如图8所示。
在烧结成功的陶瓷片上涂上银浆，将其干燥后，在陶瓷片的另外一面同样涂上银浆，在涂银浆的过程当中，在陶瓷片的一端预留好一定的空隙。将银浆干燥后，在马弗炉中进行烧银，得到带银电极的陶瓷片，陶瓷片的厚度控制在30μm。在带有银电极的陶瓷片上，附上PDMS，PDMS的厚度控制在25μm左右。在150℃的温度下干燥10分钟，得到带有一定柔韧性的单层陶瓷片。在PDMS没有干燥的时候，可进行多层叠加，叠加后，在150℃的温度下干燥15分钟。之后，再从陶瓷片的两侧涂上银浆，引出电极，干燥后再次烧银，得到多层结构，此厚度的多层结构挠曲电系数如图9所示。
实施例2：
将80g的钛酸锶钡粉体、15g的去离子水、0.28g的分散剂混合，加入120g的氧化锆研磨球，球磨12h获得初步的钛酸锶钡浆料。接着向上述将浆料中加入粘结剂聚乙二醇2.8g，将其混合均匀之后，再加入浓度为10wt％PVA水溶液40g，作为粘结剂，再次球磨12h，得到钛酸锶钡的流延浆料。将上述浆料至于烧杯中，进行搅拌真空除泡2h之后，将浆料置于流延机上进行流延成型，得到厚度为45μm的钛酸锶钡单层生坯。将生坯裁剪成合适的大小，采用“负重加压”的方式进行，即上下均加上带有防粘剂的氧化锆基板，在1235℃保温2h进行烧结，获得烧结致密的陶瓷片。
在烧结成功的陶瓷片上涂上银浆，将其干燥后，在陶瓷片的另外一面同样涂上银浆，在涂银浆的过程当中，在陶瓷片的一端预留好一定的空隙。将银浆干燥后，在马弗炉中进行烧银，得到带银电极的陶瓷片，陶瓷片的厚度控制在45μm。在带有银电极的陶瓷片上，附上PDMS，PDMS的厚度控制在25μm左右。在150℃的温度下干燥10分钟，得到带有一定柔韧性的单层陶瓷片。在PDMS没有干燥的时候，可进行多层叠加，叠加后，在150℃的温度下干燥15分钟。之后，再从陶瓷片的两侧涂上银浆，引出电极，干燥后再次烧银，得到多层结构。
图6是实施例二的流延钛酸锶钡的生坯的宏观图。
图7是实施例二的流延钛酸锶钡的生坯上下表面的电镜图。
图8是实施例二的钛酸锶钡陶瓷单片烧结后的电镜图。
图9是实施例二的钛酸锶钡陶瓷片单层和双层的挠曲电系数。
实施例3：
将160g的钛酸锶钡粉体、30g的去离子水、0.56g的分散剂混合，加入250g的氧化锆研磨球，球磨12h获得初步的钛酸锶钡浆料。接着向上述将浆料中加入粘结剂聚乙二醇5.6g，将其混合均匀之后，再加入浓度为10wt％PVA水溶液80g，作为粘结剂，再次球磨12h，得到钛酸锶钡的流延浆料。将上述浆料至于烧杯中，进行搅拌真空除泡4h之后，将浆料置于流延机上进行流延成型，得到厚度为75μm的钛酸锶钡单层生坯。将生坯裁剪成合适的大小，采用“负重加压”的方式进行，即上下均加上带有防粘剂的氧化锆基板，在1235℃保温2h进行烧结，获得烧结致密的陶瓷片。
在烧结成功的陶瓷片上涂上银浆，将其干燥后，在陶瓷片的另外一面同样涂上银浆，在涂银浆的过程当中，在陶瓷片的一端预留好一定的空隙。将银浆干燥后，在马弗炉中进行烧银，得到带银电极的陶瓷片，陶瓷片的厚度控制在75μm，不同陶瓷片厚度的挠曲电系数如图10所示。
在带有银电极的陶瓷片上，附上PDMS，PDMS的厚度控制在25μm左右。在150℃的温度下干燥10分钟，得到带有一定柔韧性的单层陶瓷片。在PDMS没有干燥的时候，可进行多层叠加，叠加后，在150℃的温度下干燥15分钟。之后，再从陶瓷片的两侧涂上银浆，引出电极，干燥后再次烧银，得到多层结构。
本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，其结构包括陶瓷片、电极和中间隔离层；所述陶瓷片是通过一定厚度的陶瓷生坯并将生坯烧制出陶瓷片(1)；
所述电极包括上电极(2)和下电极(3)；上电极(2)和下电极(3)中间有挠曲电材料陶瓷片(1)，上电极(2)覆盖陶瓷片的上表层的一部分，在一端留有小部分空余，下电极(3)覆盖在陶瓷片的下表层的一部分，下电极(3)在上电极(2)留有空余部分的另一端留有小部分空余；每一层的上电极与下电极分别在两端引出，形成并联结构；
所述中间隔离层(4)是将两片带有上电极(2)和下电极(3)的陶瓷片(1)隔离开，同时可调整中间隔离层(4)的厚度；中间隔离层(4)具有一定的柔韧性，中间隔离层(4)的加入使整体结构具有一定程度的柔韧性。
2.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述的陶瓷片原料粉末是钛酸锶钡。
3.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述陶瓷片流延出一定厚度的陶瓷生坯，利用原料粉末、分散剂、粘结剂和去离子水调配合适的浆料，在流延机上流延出一定厚度的陶瓷片生坯。
4.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述陶瓷片的厚度为20～100μm。
5.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述上电极(1)与下电极(2)覆盖在陶瓷片上时，交替在陶瓷片的一端留有空余。
6.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述上电极(1)与下电极(2)分别在陶瓷片两端引出电极，形成正负极。
7.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述中间隔离层(4)使用的物质是聚二甲基硅氧烷PDMS具有柔性的高分子物质。
8.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述中间隔离层的厚度为20～100μm。
9.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构，其特征在于，所述并联结构是含有中间隔离层的并联结构。
10.据权利要求1所述的一种提高陶瓷片挠曲电性能的挠曲电器件的结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一定量的钛酸锶钡粉体、去离子水、分散剂混合，加入氧化锆研磨球，球磨数小时后获得初步的钛酸锶钡浆料，接着向上述将浆料中加入粘结剂聚乙二醇，将其混合均匀之后，再加入浓度为10wt％PVA水溶液，作为粘结剂，再次球磨12h，得到钛酸锶钡的流延浆料；将上述浆料至于烧杯中，进行搅拌真空除泡数小时之后，将浆料置于流延机上进行流延成型，得到钛酸锶钡单层生坯，将生坯裁剪成合适的大小，采用“负重加压”的方式进行，即上下均加上带有防粘剂的氧化锆基板，在1235℃保温2h进行烧结，获得烧结致密的陶瓷片；
在烧结成功的陶瓷片上涂上银浆，将其干燥后，在陶瓷片的另外一面同样涂上银浆，在涂银浆的过程当中，在陶瓷片的一端预留好一定的空隙。将银浆干燥后，在马弗炉中进行烧银，得到带银电极的陶瓷片；
在带有银电极的陶瓷片上，附上PDMS，在150℃的温度下干燥10分钟，得到带有一定柔韧性的单层陶瓷片，在PDMS没有干燥的时候，可进行多层叠加，叠加后，在150℃的温度下干燥15分钟；之后，再从陶瓷片的两侧涂上银浆，引出电极，干燥后再次烧银，得到多层结构。
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