PMN-PMS-PZT基复合陶瓷的热释电效应调控及能量收集研究

摘要

随着可穿戴电子器件和无线传感网点的发展，可持续自供电系统成为发展的关键，基于热释电效应的能量收集技术能将生活中广泛存在的废热能转换成有用的电能，为上述电子器件供电，使能源得到循环利用，是一种绿色环保的节能方式，因此成为微能量领域的研究热点。然而，热释电能量收集器常因较低的热传递速率，在实际应用中受到限制。基于此，为获得高效的热传递，提高器件的输出能量，本文开展了以下工作： 首先，针对当前陶瓷热释电系数低的问题，利用富锆型锆钛酸铅陶瓷存在低温铁电菱方相(FRL)-高温铁电菱方相(FRH)的相变特点，对 Zr/Ti 组分调整，研究了 Zr/Ti组分变化对陶瓷热释电性能和能量收集的影响，实现了热释电效应和能量收集的最优化，确立了Zr/Ti组分为95/5的PMN-PMS-PZT陶瓷为后续章节研究的基体。 其次，从“热”的角度出发，提出将高热导添加剂AlN加入到PMN-PMS-PZT陶瓷基体中，构建热导网络，旨在提高热响应，增强热传递。本实验采用两部烧结法制备了PMN-PMS-PZT:xAlN复合陶瓷，研究了AlN含量的变化对复合陶瓷微观形貌、热释电性能、热导以及能量收集特性的影响，揭示了热传递增强的内在机理。实验结果表明，当AlN的含量为0.2 wt%时，(1) AlN主要分布在陶瓷基体的晶界处;(2) 热导为0.704 W/m℃，与未添加AlN的相比，提高了9.3%，热释电系数达到最大值为4146μC/m2℃ ;(3) 器件的输出电压峰值和输出功率分别为8.7 V和7.6μW，与未添加AlN的相比，分别提高了24.6%和52.9%。 接着，实验又尝试采用原子质量相对较小、热导性能优异的BN添加到上述陶瓷基体中，进一步提高热传递。我们依然采用两步烧结法制备了PMN-PMS-PZT: xhBN复合陶瓷，通过 hBN 含量的变化调节热释电效应、热导和热释电能量收集性能的研究，结果发现，当hBN含量为0.1 wt%时，器件的输出电压峰值为9.2 V，输出功率为8.46μW，这与没有添加hBN的相比，输出电压峰值提高了28.7%，dT/dt峰值提高了8.15%，输出功率峰值提高了65.6%。 最后，从“电”的角度出发，以多壁碳纳米管为造孔剂，采用固相法制备了 PMN-PMS-PZT: xCNTs多孔陶瓷。通过对CNTs含量的调控，成功制备了不同孔隙率的热释电陶瓷，进而实现了对介电性能、热释电效应、能量优值调控，从而成功实现了对能量收集的调控。x=0.3时，Fv和F 'E都达到最大值;热释电器件的输出电压峰值和输出功率峰值达到最大值，分别为13.33 V和17.78μW，比致密陶瓷的分别提高了75.4%和208%。

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