本發明屬于壓電陶瓷材料，具體涉及一種三維連通型多孔壓電陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術：

1、鋯鈦酸鉛(pzt)基壓電材料的能量采集技術，實現了小型化電子設備和無線傳感器的自供電，在健康、環境監測、智能定位、水下航行器和航空航天等領域有重要應用。表征壓電能量采集效率的是能量采集因子fom33，fom33＝d33·g33，其中d33為壓電電荷常數，g33為壓電電壓常數(g33＝d33/εr·ε0，εr為-33方向相對介電常數，ε0為真空介電常數)。然而，壓電材料的本征特性決定了d33和εr兩者之間具有正比例的強耦合特性，這使得提升壓電材料的能量輸出靈敏度及性能變得異常困難。研究人員就壓電能量采集性能的優化開展了大量的研究工作，材料組分設計、制備單晶和織構工程是最常見的優化手段。但是，上述手段優化效果有限。

2、近年來，作為一種替代方法，研究人員將低相對介電常數的空氣(εr≈1)作為第二相引入壓電陶瓷中制備多孔壓電陶瓷。目前，常見的多孔壓電陶瓷由于壓電相或氣孔相的不連續性導致應力傳遞效率差，極化效率差，使得多孔陶瓷d33急劇下降，能量輸出能力受限。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種三維連通型多孔壓電陶瓷及其制備方法和應用，本發明提供的三維連通型多孔壓電陶瓷能量輸出能力優異。

2、為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、本發明提供了一種三維連通型多孔壓電陶瓷，化學組成為0.83pb(zr1/2ti1/2)o3-0.11pb(zn1/3nb2/3)o3-0.06pb(ni1/3nb2/3)o3，密度為0.52～1.43g/cm3，總氣孔率為81.7～93.3％，開孔氣孔率為79.4～91.6％，孔徑為10～300μm，平均孔徑為78.7～93.2μm。

4、優選的，所述三維連通型多孔壓電陶瓷的孔結構為類球形。

5、優選的，所述三維連通型多孔壓電陶瓷的壓電電荷常數d33為400～480pc/n，1khz時的介電常數εr為120～140，壓電電壓常數g33為376×10-3～387×10-3vm/n，能量采集因子fom33為151×10-3～186×10-12m2/n，峰值輸出電壓vpp為110～200v，檢測靈敏度為25～40v/kpa。

6、本發明還提供了上述方案所述三維連通型多孔壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

7、將0.83pb(zr1/2ti1/2)o3-0.11pb(zn1/3nb2/3)o3-0.06pb(ni1/3nb2/3)o3陶瓷漿料、塑化劑、凝膠劑和發泡劑加熱混合后依次進行降溫固化、冷凍干燥、排膠和燒結，得到所述三維連通型多孔壓電陶瓷。

8、優選的，所述0.83pb(zr1/2ti1/2)o3-0.11pb(zn1/3nb2/3)o3-0.06pb(ni1/3nb2/3)o3陶瓷漿料包含pznnt陶瓷粉體，所述pznnt陶瓷粉體和塑化劑的質量比為100:3～5；所述pznnt陶瓷粉體和凝膠劑的質量比為100:5～8；所述pznnt陶瓷粉體和發泡劑的質量比為100:0.2～1.2。

9、優選的，所述降溫固化包括降溫和保溫，所述降溫的速率為2～5℃/min，終溫為25～35℃，終溫的保溫時間為12～36h。

10、優選的，所述排膠為梯度升溫排膠；所述梯度升溫排膠包括依次進行第一升溫、第一保溫排膠、第二升溫、第二保溫排膠、第三升溫和第三保溫排膠。

11、優選的，所述第一升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第一保溫排膠的溫度為150～250℃，保溫排膠時間為1～2h；所述第二升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第二保溫排膠的溫度為450～550℃，保溫排膠時間為1～2h；所述第三升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第三保溫排膠的溫度為600～700℃，保溫排膠時間為2～4h。

12、優選的，所述燒結的溫度為1200～1300℃，保溫燒結時間為2～4h。

13、本發明還提供了上述方案所述三維連通型多孔壓電陶瓷或上述方案所述制備方法得到的三維連通型多孔壓電陶瓷在壓電能量采集器中的應用。

14、本發明提供了一種三維連通型多孔壓電陶瓷。本發明提供的三維連通型多孔壓電陶瓷具有三維連通的孔結構，陶瓷相和空氣相三維互連，相比傳統壓電陶瓷具有較低的密度和介電常數，同時具有較高的氣孔率和壓電電荷常數，在實現介電常數和壓電常數成功解耦的基礎上，可以同時在陶瓷相與空氣相的異質界面處聚集了大量空間電荷，并形成局部內建電場，增強電荷轉遞效率，提高壓電極化效率，壓電電壓常數和能量采集因子得到大幅度提升從而緩解d33惡化，能量輸出能力和傳感靈敏度優異，同時還增強了應力轉遞效率。

15、本發明還提供了上述方案所述三維連通型多孔壓電陶瓷的制備方法。本發明以位于準同型相界附近的壓電固溶體(鋯鈦酸鉛-鈮鋅酸鉛-鈮鎳酸鉛，pzt-pzn-pnn，簡記為pznnt)為基礎材料，采用泡沫注凝法制備三維連通型多孔壓電陶瓷。該方法相當于將凝膠注模法與直接發泡法結合，獲得的多孔壓電陶瓷不僅具有高氣孔率和高強度，同時提高了三維連通型多孔壓電陶瓷的壓電性能和能量采集性能，環保低毒。

16、本發明還提供了上述方案所述三維連通型多孔壓電陶瓷或上述方案所述制備方法得到的三維連通型多孔壓電陶瓷在壓電能量采集器中的應用。本發明提供的三維連通型多孔壓電陶瓷能量輸出能力優異，適合用于壓電能量采集器，具備作為壓電能量采集用多孔壓電陶瓷材料的應用前景。

技術特征：

1.一種三維連通型多孔壓電陶瓷，其特征在于，化學組成為0.83pb(zr1/2ti1/2)o3-0.11pb(zn1/3nb2/3)o3-0.06pb(ni1/3nb2/3)o3，密度為0.52～1.43g/cm3，總氣孔率為81.7～93.3％，開孔氣孔率為79.4～91.6％，孔徑為10～300μm，平均孔徑為78.7～93.2μm。

2.根據權利要求1所述的三維連通型多孔壓電陶瓷，其特征在于，所述三維連通型多孔壓電陶瓷的孔結構為類球形。

3.根據權利要求1或2所述的三維連通型多孔壓電陶瓷，其特征在于，所述三維連通型多孔壓電陶瓷的壓電電荷常數d33為400～480pc/n，1khz時的介電常數εr為120～140，壓電電壓常數g33為376×10-3～387×10-3vm/n，能量采集因子fom33為151×10-3～186×10-12m2/n，峰值輸出電壓vpp為110～200v，檢測靈敏度為25～40v/kpa。

4.權利要求1～3任一項所述三維連通型多孔壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述0.83pb(zr1/2ti1/2)o3-0.11pb(zn1/3nb2/3)o3-0.06pb(ni1/3nb2/3)o3陶瓷漿料包含pznnt陶瓷粉體，所述pznnt陶瓷粉體和塑化劑的質量比為100:3～5；所述pznnt陶瓷粉體和凝膠劑的質量比為100:5～8；所述pznnt陶瓷粉體和發泡劑的質量比為100:0.2～1.2。

6.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述降溫固化包括降溫和保溫，所述降溫的速率為2～5℃/min，終溫為25～35℃，終溫的保溫時間為12～36h。

7.根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述排膠為梯度升溫排膠；所述梯度升溫排膠包括依次進行第一升溫、第一保溫排膠、第二升溫、第二保溫排膠、第三升溫和第三保溫排膠。

8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述第一升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第一保溫排膠的溫度為150～250℃，保溫排膠時間為1～2h；所述第二升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第二保溫排膠的溫度為450～550℃，保溫排膠時間為1～2h；所述第三升溫的速率為0.2～0.5℃/min；所述第三保溫排膠的溫度為600～700℃，保溫排膠時間為2～4h。

9.根據權利要求4或6所述的制備方法，其特征在于，所述燒結的溫度為1200～1300℃，保溫燒結時間為2～4h。

10.權利要求1～3任一項所述三維連通型多孔壓電陶瓷或權利要求4～9任一項所述制備方法得到的三維連通型多孔壓電陶瓷在壓電能量采集器中的應用。

技術總結
本發明屬于壓電陶瓷材料技術領域，具體涉及一種三維連通型多孔壓電陶瓷及其制備方法和應用。本發明提供的三維連通型多孔壓電陶瓷具有三維連通結構，陶瓷相和空氣相三維互連，具有較低的密度和介電常數，同時具有較高的氣孔率和壓電電荷常數，實現了介電常數和壓電常數的成功解耦。這是因為在陶瓷相與空氣相的異質界面處聚集了大量空間電荷，形成局部內建電場，增強電荷轉遞效率，提高壓電極化效率，從而壓電電壓常數和能量采集因子得到大幅度提升，能量輸出能力和傳感靈敏度優異。

技術研發人員：許杰,馮曉穎,夏晨赫,王寒可,楊青云,高峰
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24