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压电能量收集材料中复相微结构控制及其与换能系数关联的机制研究
结题报告
批准号:
51677001
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
侯育冬
依托单位:
学科分类:
E0702.超导与电工材料
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑木鹏、赵海燕、章进、付靖、朝鲁门、张云溪、贾文旭、晏晓东
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中文摘要
基于压电材料的正压电效应,构建从环境中捕捉振动能并转化为电能的压电能量收集器是当前新能源领域的研究前沿。合成兼具高压电应变常数与低介电常数的压电陶瓷是获取高换能系数压电能量收集材料的关键。然而,传统通过掺杂与多组元固溶复合的技术手段往往引起材料体系压电应变常数与介电常数的同增或同减,难以获取高换能系数。本项目拟基于课题组的前期实验基础与材料设计理论认知,采取将低介高绝缘的钛铁矿相引入钙钛矿铁电极性基体中构建新颖的0-3复相结构来大幅提升压电陶瓷换能系数。实验上发展不同纳微结构的钛铁矿/钙钛矿复相材料制备方法,系统研究异相分布模式和准同型相界定向迁移对复相材料强场下电畴定向程度与介电常数变化趋势的影响规律,寻找同时获得高压电应变常数与低介电常数的材料设计窗口。本项目期望不仅能够获得高换能系数材料体系,而且能为压电能量收集器材料设计提供新的技术思路与理论储备。
英文摘要
Based on the piezoelectric effect, piezoelectric energy harvester can capture vibration energy from the environment and convert it into electrical energy, which is a frontier in the field of new energy. The constructing of piezoelectric ceramic with both high piezoelectric strain constant and low dielectric constant is the key to obtaining the high transduction coefficient piezoelectric energy harvesting material. However, traditional strategy such as doping or complexing of multi-component solution often cause the piezoelectric strain constant and dielectric constant increase or decrease simultaneously, so it is difficult to obtain high transduction coefficient. Based on the preliminary experimental basis and materials design knowledge, it is expected that constructing novel 0-3 composite structure by introducing low dielectric and high insulating ilmenite phase into polar perovskite matrix is in favor of enhancing the transduction coefficient in a large extent. The detailed works involve developing preparation methods of ilmenite / perovskite composite material with different micro-nano structures, exploring the effects of the distribution patterns of secondary phase and shift of morphotropic phase boundary on the orientation degree of domains under strong electric field and variation trend of the dielectric constant, and ultimately seeking for the material design window of obtaining both high piezoelectric strain constant and low dielectric constant. This project could not only provide high transduction coefficient material but also supply the new constructing law of piezoelectric energy harvesting materials.
传统化石能源的日益短缺迫切需要拓展新能源技术以实现社会与经济的可持续发展。以压电材料为核心的压电能量收集器是新能源领域的技术前沿,有望实现环境中废弃振动能的高效采集与清洁发电。现有限制压电能量收集器发电功率提升的技术瓶颈主要是压电材料换能系数普遍偏低。结合我们已具备的研究条件、工作经验和知识积累,在国家自然科学基金项目的支持下,课题组从材料组成、工艺、结构和性能等方面深入研究了高换能系数压电能量收集复相材料设计方法与电性能提升机理,制备出多种电畴构型可控的压电能量收集材料,主要工作包括:(1)晶粒尺寸系列化PZN-PZT基压电陶瓷制备技术及能量收集特性;(2)钛铁矿化合物掺杂构建PZN-PZT基复相陶瓷及能量收集特性;(3)过渡系元素掺杂构建PZN-PZT基复相陶瓷及改性机理。本项目的创新性在于从晶体结构角度出发,提出了不同于常规掺杂与多组元固溶设计思路的全新0-3型压电能量收集复相材料设计方法,基于异质界面极化效应与掺杂取代效应的协同作用机制,实现了压电常数与介电常数变化趋势的差异化调控,这为发展实用性、高性能的新一代压电能量收集器奠定了坚实的材料设计基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.matlet.2018.11.032
发表时间:2019
期刊:Materials Letters
影响因子:3
作者:Zhao Haiyan;Hou Yudong;Zheng Mupeng;Yu Xiaole;Yan Xiaodong;Li Ling;Zhu Mankang
通讯作者:Zhu Mankang
Nanodomains in metal/ferroelectric 0–3 type composites: On the origin of the strong piezoelectric effect
金属/铁电0-3型复合材料中的纳米域:强压电效应的起源
DOI:10.1016/j.scriptamat.2017.10.007
发表时间:2018-03
期刊:Scripta Materialia
影响因子:6
作者:Mupeng Zheng;Yudong Hou;Mankang Zhu;Hui Yan
通讯作者:Hui Yan
Large enhancement of transduction coefficient in PZN-PZT energy harvesting system through introducing low-epsilon(r) PIN relaxor
通过引入低 epsilon(r) PIN 弛豫器大幅提高 PZN-PZT 能量收集系统的传导系数
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2019.03.016
发表时间:2019
期刊:Journal of the European Ceramic Society
影响因子:5.7
作者:Yan Jing;Hou Yudong;Yu Xiaole;Zheng Mupeng;Zhu Mankang
通讯作者:Zhu Mankang
Highly durable piezoelectric energy harvester based on a PVDF flexible nanocomposite filled with oriented BaTi2O5 nanorods with high power density
基于填充有高功率密度定向 BaTi2O5 纳米棒的 PVDF 柔性纳米复合材料的高度耐用的压电能量收集器
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.08.006
发表时间:2018-10-01
期刊:NANO ENERGY
影响因子:17.6
作者:Fu, Jing;Hou, Yudong;Zhu, Mankang
通讯作者:Zhu, Mankang
Submicron crystalline buildup and size-dependent energy harvesting characteristic in PZN-PZT ternary ferroelectrics
PZN-PZT 三元铁电体中的亚微米晶体堆积和尺寸依赖性能量收集特性
DOI:10.1111/jace.15054
发表时间:2017
期刊:Journal of the American Ceramic Society
影响因子:3.9
作者:Yue Yunge;Hou Yudong;Zheng Mupeng;Yan Xiaodong;Zhu Mankang
通讯作者:Zhu Mankang
细晶高温压电能量收集陶瓷的晶格畸变与晶界畴化协同调控研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    侯育冬
  • 依托单位:
铝酸铋基新型高温无铅压电陶瓷的制备与性能研究
  • 批准号:
    51072008
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    37.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    侯育冬
  • 依托单位:
压电变压器无铅化关键材料NKN-LN的研究
  • 批准号:
    60601020
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2006
  • 负责人:
    侯育冬
  • 依托单位:
国内基金
海外基金