中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電陶瓷是一種重要的機電轉換功能材料。它能夠實(shí)現磁、力、電及光、熱等多物理場(chǎng)的耦合，而被廣泛應用于精密驅動(dòng)、智能傳感、電子通訊等領(lǐng)域。對于工作在諧振狀態(tài)的壓電器件而言，如壓電變壓器，微能量采集器，都需要一種同時(shí)具有高壓電系數和低介電損耗的高性能壓電陶瓷。然而，壓電陶瓷內部的偶極子通常以介電損耗為代價(jià)來(lái)提高壓電性能。因此，制備這種高性能壓電陶瓷一直以來(lái)頗具挑戰。
近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院董蜀湘教授課題組及其合作者哈爾濱工業(yè)大學(xué)邊浪講師（共同通訊作者）、清華大學(xué)李仰群教授，通過(guò)缺陷工程的方法，成功制備Mn摻雜的PNN-PZT基壓電陶瓷(0.025Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.525Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.135PbZrO3-0.315PbTiO3) (PMNN-PZT)。這種壓電陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能：壓電電荷參數e33為37.74 pC m?2，低介電損耗tanδ為0.45%。與已報道的相關(guān)成果相比，該工作制備的PMNN-PZT陶瓷具有更優(yōu)異的綜合性能，以滿(mǎn)足高性能壓電能量采集要求。
圖1. PMNN-PZT壓電陶瓷性能和其他已報道壓電材料性能對比圖
此外，課題組還提出了一種基于PMNN-PZT陶瓷的變剛度懸臂梁結構磁-機-電耦合的能量采集器。在外界的隨機脈沖的振動(dòng)或磁場(chǎng)激勵下，該能量采集器表現出較強自諧振效應。實(shí)驗結果表明，在0.6 s脈沖振動(dòng)刺激下，該能量采集器能夠實(shí)現長(cháng)達6 s的自諧振阻尼振蕩，其振動(dòng)頻率為自身諧振頻率16 Hz。該過(guò)程產(chǎn)生的最大峰峰值功率為15.7mW。
圖2. 基于PMNN-PZT陶瓷/商業(yè)陶瓷的變剛度結構能量采集器在脈沖振動(dòng)下的功率輸出性能
在實(shí)際環(huán)境中，如公路上行駛汽車(chē)，其車(chē)輪和軸承的轉動(dòng)會(huì )同時(shí)激發(fā)弱振動(dòng)和弱磁場(chǎng)。為評估該工作提出的基于PMNN-PZT陶瓷的變剛度結構能量采集器在之后實(shí)際應用中的性能。在弱振動(dòng)和弱磁場(chǎng)同時(shí)激勵下(Hac = 0.5 Oe, a =0.05 g)，變剛度結構能量采集器產(chǎn)生的峰峰值功率密度約為480 mW Oe-2g-2cm-3，較現有相關(guān)報道高出一到兩個(gè)量級。這一輸出功率可以成功驅動(dòng)商用溫度/濕度傳感器。這一結果表明：基于PMNN-PZT陶瓷的變剛度結構能量采集器在弱振動(dòng)和弱磁場(chǎng)環(huán)境中，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中傳感和發(fā)射器件無(wú)線(xiàn)供能具有重要潛力。
圖3. 基于PMNN-PZT陶瓷的變剛度結構能量采集器在弱磁場(chǎng)和弱振動(dòng)同時(shí)激勵下的功率輸出和實(shí)現溫濕度傳感器驅動(dòng)
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是北京大學(xué)2020級博士生余中輝，董蜀湘教授是本文通訊作者。
