CN115623853B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115623853B CN115623853B CN202211637575.5A CN202211637575A CN115623853B CN 115623853 B CN115623853 B CN 115623853B CN 202211637575 A CN202211637575 A CN 202211637575A CN 115623853 B CN115623853 B CN 115623853B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric ceramic
- power generation
- generation device
- array
- pzt
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 204
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 8
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 8
- 229920005839 ecoflex® Polymers 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 7
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 7
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 7
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims description 7
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 5
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims description 4
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 3
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 2
- PQJKKINZCUWVKL-UHFFFAOYSA-N [Ni].[Cu].[Ag] Chemical compound [Ni].[Cu].[Ag] PQJKKINZCUWVKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 6
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 6
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 3
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N copper nickel Chemical compound [Ni].[Cu] YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Abstract
本发明属于压电材料，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。本发明还包括所述的材料的制备和应用。本发明中，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。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷技术领域，具体涉及柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件技术领域。
背景技术
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。
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。
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。
发明内容
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，本发明第一目的在于，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。
本发明第二目的在于，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。
本发明第三目的在于，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。
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，本发明提供以下解决方案：
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。
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，本发明研究发现，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。
本发明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。本发明中，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。
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。
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。
本发明中，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。
本发明中，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。
本发明中，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。
本发明中，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。
作为优选，所述的相邻压电陶瓷柱的间距为2~2.5mm。
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。
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。
本发明中，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)。
本发明中，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。
本发明中，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。
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。本发明中，该结构下有助于进一步改善输出效果和稳定性。
优选地，第一导电膜、第二导电膜分别设置有导线。
优选地，所述的封装材料为绝缘材料，进一步优选为PDMS Sylgard 184、PDMSSylgard 186、PDMS MIX、Ecoflex 00-30、Ecoflex 00-10、Ecoflex 00-50中的至少一种。
本发明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%；
步骤(2)：
将各压电陶瓷柱的底面按设计阵列复合在第一导电膜表面，再在各压电陶瓷柱的顶面复合第二导电膜，随后再采用封装材料对阵列间隙进行封装，制得所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件；
阵列中，各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm。
本发明中，为了成功制备所述的压电陶瓷发电器件，需要解决多孔陶瓷脆性大，容易粉化，难于切割形成阵列，以及在柔性扭曲阶段容易破碎等问题，此外，还存在压电输出性能难于发挥等问题。针对本发明所述器件制备面临的技术问题，本发明发现，创新地通过冰模板法构建所要求孔隙率的取向多孔压电陶瓷柱，并将其按需要的阵列参数进行排列，如此能够解决多孔陶瓷脆性大，容易在制备阵列粉化，导致材料制备失败的问题，此外，还能够赋予材料良好的柔性和压电输出能力，能够带来意料不到的技术效果。
本发明中，步骤(1)中，将压电陶瓷粉分散在水中，获得浆料，将浆料至于模具中进行冷冻，制得陶瓷生坯，将陶瓷生坯进行烧结处理，制得所述在高度方向具有取向通孔的多孔压电陶瓷块。
本发明中，所述的多孔压电陶瓷块具有相对平整的底面和顶面，且具有高度方向的通孔，所述的高度方向指底面至顶面的方向。
本发明中，多孔压电陶瓷块中的孔隙率为42~52%。本发明研究发现，在该优选的孔隙率下，能够进一步解决多孔陶瓷切割以及柔性折叠阶段的粉化问题，能够成功制备多孔阵列材料，能够赋予材料良好的柔性和扭曲稳定性，不仅如此，还能够意外地协同改善所述多孔陶瓷阵列材料的压电电压-电流输出效果。
本发明中，所述的取向通孔的多孔压电陶瓷块可基于现有的制备要求，预先进行减薄处理，随后可基于现有的方法进行极化处理，极化后再进行切割形成需要尺寸的陶瓷柱。
本发明中，预先将各压电陶瓷柱的底面按阵列图形复合在第一导电膜表面，随后采用第二导电膜对各压电陶瓷柱的顶面进行复合，所述的各压电陶瓷柱具有沿高度方向的贯穿通孔。本发明中，对阵列的参数特别是压电陶瓷柱的间隙进行控制，有助于进一步改善器件的柔性和压电电压-电流输出能力。
作为优选，阵列中，各相邻压电陶瓷柱的间距为2~2.5mm。
优选地，所述的压电陶瓷柱通过导电胶分别和第一导电膜以及第二导电膜复合。
本发明还提供了一种所述的取向多孔柔性PZT压电阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将PZT粉、蒸馏水、分散剂，在滚轴球磨机上球磨，然后加入PVA，再继续球磨混合，得到多孔PZT陶瓷浆料；所述的PZT粉为PZT-5A、PZT-5H、PZT-5J、PZT-2、PZT-4A、PZT-4D、PZT-4E、PZT-8、 PZT-5D、PZT-5X中的一种；优选为PZT-5A、PZT-5H、PZT-5J的至少一种。所述的分散剂为水溶性分散剂，优选为爱森3000、BYK-154、AG-165中的至少一种。多孔PZT陶瓷浆料中，水含量为30~50%；
步骤(2)：将多孔PZT陶瓷浆料倒入模具中，将模具放置在冷热平板上，进行冷冻20分钟，待冻实后进行脱模。
步骤(3)：将多孔PZT陶瓷块放在冻干机里进行冷冻干燥，得到生坯。
步骤(4)：将生坯放入马弗炉中烧结，得到多孔PZT陶瓷块，一面图上银浆置于电晕极化上极化。
步骤(5)：将已极化的多孔PZT陶瓷块放在切割机上切割成多孔长方体柱子。
步骤(6)：将多孔长方体柱子底面和顶面涂上导电胶固定在导电膜上，并连上导线。
步骤(7)：将Ecoflex 00-30倒入模具中进行封装。
本发明还包括所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的应用，将其制备低频能量收集装置。
优选的应用，将其用于制备穿戴设备；更进一步优选，将其用于制备基于所述压电陶瓷发电器件供电的带有定位装置的鞋垫。
有益效果
（1）本发明研究发现，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。
本发明提供了一种全新的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，且发现该器件具有良好的柔性，能够意外地实现人体能量收集，能够贴附在人体的各个部位实现能量收集。
（2）为解决所述新材料难于制备，且压电输出性能不理想的问题，本发明通过冰模板法构建所要求孔隙率的取向多孔压电陶瓷柱，并将其按需要的阵列参数进行排列，如此能够解决多孔陶瓷脆性大，容易在制备阵列粉化，导致材料制备失败的问题，此外，还能够赋予材料良好的柔性和压电输出能力，能够带来意料不到的技术效果。
（3）本器件的材料制备方法简单，阵列化工艺简便，成本低，可进行大规模制备。
附图说明
图1为实施例1制得的多孔PZT陶瓷块以及阵列图，其中，图1的（a）部分为实施例1步骤1制备得的多孔PZT陶瓷块的扫描电镜（SEM）图，标尺为50 μm；图1的（b）部分为实施例1步骤2制备的PZT陶瓷柱体用导电胶固定在导电膜上，排布成横排6个，纵向5个，柱体间隔2mm的阵列的数码照片，标尺为1cm。
图2为实施例1步骤（3）制得的器件A的实物图。其中（a）部分为封装成取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件弯折的数码图片，标尺为1cm；（b）部分为封装成取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的正面数码图，标尺为1cm。
图3为器件B、器件A、器件C、器件D的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件在2Hz 5N、10N、15N、20N、25N、 30N的输出电压。
图4为器件A在2Hz 1N、3N、5N、7N、9N、11N、13N、15N、17N、20N、25N、30N、35N、40N、45N、50N下的输出电压。
图5为器件A在2Hz 1N、3N、5N、7N、9N、11N、13N、15N、17N、20N、25N、30N、35N、40N、45N、50N下的输出电流。
图6为器件A在并联100 kΩ、500 kΩ、1MΩ、1.5 MΩ、2 MΩ、4 MΩ、6 MΩ、8 MΩ、10 MΩ、20 MΩ、30 MΩ、50 MΩ、90 MΩ、200 MΩ、1 GΩ、5 GΩ电阻后，在频率为2Hz，施加应力为50N下的输出电压、电流、输出功率。其中（a）为在不同负载电阻下的输出电压曲线；（b）为在不同负载电阻下的输出电流曲线；（c）为在不同负载电阻下的输出功率曲线；
图7为器件A同时点亮 90个 LED的图片，LED灯呈“CSU”形。
图8为器件A附着在12、10、8、6、4、3.5、3、2.5、2、1.5 mm的不锈钢管上进行弯曲后测试的d33和输出电压 。
图9为实施例9的4层17*16取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的GPS模块工作图；其中（a）为发电器件充0.1法拉的超级法拉电容至3.3V的充电曲线；（b）为充至3.3V的 0.1法拉的超级法拉电容给GPS 供电的放电曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。这些实施例应理解为仅用于说明。
本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定。
第一部分：
实施例1（标记为器件A）：
步骤（1）孔隙率为50%的PZT陶瓷块的制备：
在球磨瓶中加入10 g蒸馏水、0.775 g分散剂，和77.5 g PZT陶瓷粉，摇晃均匀后在滚轴球磨机上球磨24小时，然后加入15.5 g 5%的PVA水溶液，再继续球磨混合2小时，得到固含量为50%的多孔PZT陶瓷浆料；将固含量为50%的多孔PZT陶瓷浆料倒入PDMS模具中，快速放于冷热平板上，以10℃/min的冷冻速率冷冻20 min。冷冻完毕后脱模，在冰箱内冷冻过夜后取出，放置于冷冻干燥机中冷冻干燥48小时得到生坯。
将生坯放置马弗炉（空气气氛）中，先以1℃/min从室温升温到325℃，在325℃保温60 min，然后再以1℃/min升温到500℃，在500℃保温60 min，再以1℃/min升温到600℃，保温60 min，然后5℃/min升温至1250℃，保温120min，最后随炉自然降温。
步骤（2）PZT陶瓷柱体的制备
将多孔陶瓷块固定在涂抹石蜡的环氧树脂块上，固定后放置于切割机上进行切割，将垂直于取向多孔方向，将陶瓷块切割（减薄）成2mm厚的单片。将切割后的单片一面在分析天平上经密度组件测量孔隙率，经测试孔隙率为51.39%。然后底面涂抹银浆置于加热台上烘干，烘干后底面朝下以18 kV电压进行电晕极化，将电晕极化后的单片顶面也涂抹电极，放于热台上烘干，烘干后底面超朝下，在顶面上做好标记后重新固定在石蜡上进行切割，切割成单个柱子长宽高尺寸为1.5 mm*1.5mm*2mm的长方体。切割完后加热将石蜡融化，并用酒精冲洗。烘干后得到PZT多孔陶瓷柱体。
步骤（3）取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的制备
将得到的PZT多孔陶瓷柱体底面用导电胶固定在导电膜（也即是导电固定在第一ITO的导电面）上，排布成横排6个，纵向5个的长方形阵列，每排柱体间隔2 mm，放置一夜，待导电胶固化后在柱体顶面涂上导电胶，再附上一层导电膜（也即是导电固定在第二ITO的导电面），使多孔陶瓷阵列顶面和底面均被导电膜所覆盖。放置过夜使导电膜与陶瓷贴合紧密。放置过夜后将其放置在硅胶磨具中，倒入型号为Ecoflex 0030的硅橡胶进行封装，封装后即得到取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（标记为器件A）。
由图1（a）可见，步骤（1）制得的孔隙率陶瓷块为竖向排列的片层状多孔。
由图1（b）可见，步骤（2）制得的PZT陶瓷柱体呈规则的立方体，且排列形成6*5的阵列。
由图2（a）可见，步骤（3）制得的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件具有较好的柔性，可以折叠。
由图2（b）可见，步骤（3）制得的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件体积较小，经封装后其面积为2*3 cm厚度为3mm。
实施例2（标记为器件B）：
和实施例1相比，区别仅在于，控制步骤（1）的陶瓷浆料的固含量为55%，最终得到了孔隙率为43.47%的陶瓷片。其他操作和参数同实施例1，制得取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（标记为器件B）。
实施例3（标记为器件C）：
和实施例1相比，区别仅在于，控制步骤（1）的陶瓷浆料的固含量为45%，最终得到了孔隙率为55.76%的陶瓷片。其他操作和参数同实施例1，制得取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（标记为器件C）。
实施例4（标记为器件D）：
和实施例1相比，区别仅在于，控制步骤（1）的陶瓷浆料的固含量为40%，最终得到了孔隙率为59.26%的陶瓷片。其他操作和参数同实施例1，制得取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（标记为器件D）。
第二部分：取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的电性能输出性能测试：
2.1：不同孔隙率的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件输出电压性能比较
将制得的不同孔隙率的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（器件A、B、C和D）放于力学传感器上，连接在微电流计上进行电性能测试。 在频率为2Hz，施加应力为5N 10N 15N20N 25N 30N下测试其电压值。测试结果见图3，数据见表1：
表1. 不同孔隙率器件在各个力下的输出情况
通过表1、图3可知， 器件A在50N下的输出电压可达328 V，比在同样受力下的器件B的输出电压（308V）更高。且器件C和器件D输出电压随受力先增大后减小，这说明孔隙率越高的器件其输出电压越高，但是孔隙率过高时该器件能够承受的力逐渐减小，容易在受力过程中发生失效。因此器件A具有最优的孔隙率。
输出电压电流性能测试
将器件A放于力学传感器上，连接在微电流计上进行电性能测试。 在频率为2Hz，施加应力为1N 3N 5N 7N 9N 11N 15N 17N 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N下测试其电压值（结果见图4）。在频率为2Hz，施加应力为1N 3N 5N 7N 9N 11N 13N 15N 17N 20N 30N35N 40N 45N 50N下测试其电流值（结果见图5）
从图4可知，在50N，2Hz下能够产生618 V的峰对峰值开路电压。从图5可知，在50N，2Hz下能够产生188 μA的峰对峰短路电流。
：阻抗负载性能测试
将制得的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（器件A）与电阻箱并联，依次接入100kΩ、500 kΩ、1MΩ、1.5 MΩ、2 MΩ、4 MΩ、6 MΩ、8 MΩ、10 MΩ、20 MΩ、30 MΩ、50 MΩ、90 MΩ、200 MΩ、1 GΩ、5 GΩ电阻，在频率为2Hz，施加应力为50N下测试其负载电压值。结果见图6。
图6为器件A的阻抗负载。可以看出，在 2 MΩ 的最佳阻抗匹配下， PZT多孔压电器件能够产生12961 μW cm-2的最大瞬时功率密度。
：点灯测试
将制得的取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件（器件A）与90盏LED灯串联，在在频率为2Hz，施加应力为50N下测试其是否点亮。
图7为器件A的点灯测试。可以看出，取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的高输出电压能够同时点亮 90个 LED。
第三部分：取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的柔性测试：
将器件A附着在曲率半径分别为12、10、8、6、4、3.5、3、2.5、2、1.5 mm的不锈钢管上进行弯曲，弯曲后取出，在压电系数（d33）测试仪上测量d33值，在微电流计上2 Hz 20N下测试其电压输出。结果见表2和图8；
图8可以看出取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件具有较高的柔性，在曲率半径为3.5mm时压电输出和d33才开始略微下降，在曲率半径为2mm时才发生明显衰减。
表2. 器件A在不同曲率半径下的d33和输出电压
参比测试：
对比例1（标记为器件E）：
和实施例1相比，区别仅在于，未对实施例1制备多孔陶瓷片进行阵列化排列，而是采用整片多孔陶瓷块（厚度为2mm）替换所述的阵列，直接在其上下表面复合导电膜。（标记为器件E）。
实施例5（标记为器件F）：
和实施例1相比，区别仅在于，陶瓷柱体间隔为1mm，其他操作和参数同实施例1。
实施例6（标记为器件G）：
和实施例1相比，区别仅在于，陶瓷柱体间隔为3mm，其他操作和参数同实施例1。
表3. 器件A和器件E的输出电压对比
表4. 器件A、器件F、器件G的输出电压对比
实施例7（标记为器件H）：
和实施例1相比，区别仅在于，陶瓷柱体高度为3mm，其他操作和参数同实施例1
实施例8（标记为器件I）：
和实施例1相比，区别仅在于，陶瓷柱体高度为4mm，其他操作和参数同实施例1
在频率为2Hz，施加应力为5N下比较两者电压值。
表5. 器件A、器件H和器件I的输出电压对比
从表5中可看出，随着陶瓷柱体的高度增加器件的输出电压增大，但陶瓷柱越大器件越厚重，而厚度低于2mm的陶瓷柱切割较为困难，因此选择2mm高为最佳高度
对比例2（标记为器件J）：
和实施例1相比，区别仅在于，陶瓷柱体的孔为随机多孔而不是取向多孔，其他操作和参数同实施例1。
在频率为2Hz，施加应力为5N下比较两者电压值。
表6. 器件A和器件J的输出电压对比
实施例9 取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的GPS应用：
步骤一：和实施例1相比，区别仅在于，步骤（3）中，阵列排布为，横排16个，纵向17个，间距同样为2mm，形成阵列；其他操作和参数均同实施例1，制备得到器件K。 将4层的器件K依次纵向叠置，连接4个整流器，经整流后用于0.1法拉的超级电容器充电，形成4层17*16（按正方形图形设置阵列，其中，横向17个陶瓷柱，纵向16个陶瓷柱）取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件，标记为复合器件L；
步骤二：将4层取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的输出端与0.1法拉的超级电容器相连，并通过微电流计监测0.1法拉的超级电容器的电压，经在8小时后可将0.1法拉的电容充至3.3 V
步骤三：GPS定位测试
此时快速连接上GPS模块，通过软件获得定位信息。
图9可以看出，经过8小时的充电后，4层17*16取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件可将0.1法拉的电容充至3.3 V，并使GPS模块工作3秒左右，并获得GPS 定位信息。因此，本器件有望做成可穿戴智能鞋垫，利用行走或者跑步时器件对器件产生的压力进行发电。
Claims (18)
1.一种用于制备低频能量收集装置的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，且其孔隙率为40~60%；各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm；
压电陶瓷柱的高度为2~6 mm；各压电陶瓷柱的底面均和第一导电膜导电连接，顶面均和第二导电膜导电连接。
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。
3.如权利要求2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-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。
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，所述的压电陶瓷柱的横截面为正方形、长方形、圆形或椭圆形。
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，所述的压电陶瓷柱的孔隙率为42~52%。
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，所述的压电陶瓷柱按正方形或长方形的阵列图形进行排列。
7.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，所述的相邻压电陶瓷柱的间距为2~2.5mm。
8.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。
9.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，第一导电膜、第二导电膜分别设置有导线。
10.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，所述的封装材料为绝缘材料。
11.如权利要求10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，所述的封装材料为PDMS Sylgard 184、PDMS Sylgard 186、PDMS MIX、Ecoflex 00-30、Ecoflex00-10、Ecoflex 00-50中的至少一种。
12.一种权利要求1~11任一项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，其特征在于，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%；
步骤(2)：
将各压电陶瓷柱的底面按设计阵列复合在第一导电膜表面，再在各压电陶瓷柱的顶面复合第二导电膜，随后再采用封装材料对阵列间隙进行封装，制得所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件；
阵列中，各相邻压电陶瓷柱的间距为1~5mm。
13.如权利要求12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，其特征在于，步骤(1)中，将压电陶瓷粉分散在水中，获得浆料，将浆料至于模具中进行冷冻，制得陶瓷生坯，将陶瓷生坯进行烧结处理，制得所述在高度方向具有取向通孔的多孔压电陶瓷块。
14.如权利要求13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，其特征在于，所述的压电陶瓷柱通过导电胶分别和第一导电膜以及第二导电膜复合。
15.一种权利要求1~11所述的任一项柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的应用，其特征在于，将其制备低频能量收集装置。
16.如权利要求15所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的应用，其特征在于，将其用于制备穿戴设备。
17.如权利要求16所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的应用，其特征在于，将其用于制备鞋垫。
18.如权利要求17所述的柔性取向多孔阵列式压电陶瓷发电器件的应用，其特征在于，将其用于制备基于所述压电陶瓷发电器件供电的带有定位装置的鞋垫。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211637575.5A CN115623853B (zh) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211637575.5A CN115623853B (zh) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115623853A CN115623853A (zh) | 2023-01-17 |
| CN115623853B true CN115623853B (zh) | 2023-05-12 |
Family
ID=84880256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211637575.5A Active CN115623853B (zh) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115623853B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103199737A (zh) * | 2012-01-10 | 2013-07-10 | 三星电子株式会社 | 纳米压电发电机及其制造方法 |
| CN103684044A (zh) * | 2012-09-03 | 2014-03-26 | 中国科学院理化技术研究所 | 压电薄膜发电器及其制作方法 |
| EP3432596A1 (en) * | 2017-07-19 | 2019-01-23 | BAE SYSTEMS plc | Electroacoustic transducer array |
| CN111513418A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-08-11 | 深圳大学 | 一种智能鞋垫及其制备方法和应用 |
| WO2022000083A1 (en) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | Shimco North America Inc. | Piezoelectric composite film and method for making same |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2846269C (en) * | 2011-08-24 | 2019-01-15 | National Research Council Of Canada | Porosity control in piezoelectric films |
| GB2557345B (en) * | 2016-12-08 | 2021-10-13 | Bae Systems Plc | MIMO communication system and data link |
-
2022
- 2022-12-20 CN CN202211637575.5A patent/CN115623853B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103199737A (zh) * | 2012-01-10 | 2013-07-10 | 三星电子株式会社 | 纳米压电发电机及其制造方法 |
| CN103684044A (zh) * | 2012-09-03 | 2014-03-26 | 中国科学院理化技术研究所 | 压电薄膜发电器及其制作方法 |
| EP3432596A1 (en) * | 2017-07-19 | 2019-01-23 | BAE SYSTEMS plc | Electroacoustic transducer array |
| CN111513418A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-08-11 | 深圳大学 | 一种智能鞋垫及其制备方法和应用 |
| WO2022000083A1 (en) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | Shimco North America Inc. | Piezoelectric composite film and method for making same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115623853A (zh) | 2023-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Manjakkal et al. | Flexible self-charging supercapacitor based on graphene-Ag-3D graphene foam electrodes | |
| Cheng et al. | Spontaneous power source in ambient air of a well-directionally reduced graphene oxide bulk | |
| Kim et al. | Characterization of PI/PVDF-TrFE composite nanofiber-based triboelectric nanogenerators depending on the type of the electrospinning system | |
| CN101295941B (zh) | 交流纳米发电机 | |
| KR101652404B1 (ko) | 플렉시블 수퍼 커패시터 및 그 제조방법과 플렉시블 수퍼 커패시터를 포함하는 장치 | |
| US8269401B1 (en) | Graphene power-mill system | |
| CN106225811B (zh) | 一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法 | |
| KR102214474B1 (ko) | 이온성 탄성중합체를 이용한 정전 발전장치 | |
| CN108063183A (zh) | 一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法 | |
| CN103944442A (zh) | 一种折叠式微型震动发电机及其制造方法 | |
| Khan et al. | A survey of wearable energy harvesting systems | |
| Chen et al. | Performance-enhanced flexible triboelectric nanogenerator based on gold chloride-doped graphene | |
| CN108751181B (zh) | 异质结构多孔氧化石墨烯膜制备方法、石墨烯膜及发电机 | |
| CN105826086A (zh) | 基于SiC纳米阵列的柔性全固态超级电容器及制备方法 | |
| CN115623853B (zh) | 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 | |
| Nguyen et al. | Review on the transformation of biomechanical energy to green energy using triboelectric and piezoelectric based smart materials | |
| Zhang et al. | Novel wearable pyrothermoelectric hybrid generator for solar energy harvesting | |
| CN106876580A (zh) | 一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法 | |
| Kulkarni et al. | An ensemble of progress and future status of piezo-supercapacitors | |
| Lin et al. | Biowaste eggshell membranes for bio-triboelectric nanogenerators and smart sensors | |
| Fu et al. | Enhanced pressure sensors in supercapacitive–piezoelectric mixed mode with jelly-gel as dielectric layer | |
| CN110061652B (zh) | 一种宽频带静电微能量采集器、采集系统及其制备方法 | |
| Wu et al. | Thermoelectric textile materials | |
| KR102052907B1 (ko) | 하이브리드 방식의 전력발전소자 및 이의 제조방법 | |
| CN111048608B (zh) | 柔性可延展太阳能电池及其制造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |