CN107123731A - 一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电陶瓷聚合物复合材料领域,提供一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法。本发明将压电材料涂覆在钢片表面,预制成薄片,以钢片作为刚性支撑和电极材料,高温固化后形成压电陶瓷片,然后将二氧化硅溶胶涂敷于压电陶瓷表面,进一步在超临界条件下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。本发明利用最外层的二氧化硅气凝胶层吸收噪音,并将噪音产生的振动高效传给压电材料,提高振动压力,实现了噪音高效发电。整个材料具有集成化特点,适合于大规模连续生产。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷聚合物复合材料领域,具体涉及一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法。
背景技术
能源是现代经济社会发展的基础,随着能源的大量应用,人们不断通过提高资源使用效率,开发新能源来满足日益增长的能源需求。噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。 噪音污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。噪声也具有一定的能量,例如噪声达到160dB的喷气式飞机,其声功率约为10kW ;噪声达到 140dB的大型鼓风机,其声功率为100W。其他各种情况,如汽车、音响等声源产生的噪声也具有很大的能量值。声电转化装置能将环境中的声能转化为电能,不仅可以有效地降低环境中的噪声保护环境,还能为我们的移动设备提供能源,应用前景非常广阔。压电材料被广泛应用与压力与电信号的转换过程中,本发明利用压电材料的本征特性,提出一种简单的结构复合材料,实现收集噪音发电的目的。
中国发明专利申请号201410273384.4公开了一种噪音发电装置,包括依次连接的声音收集喇叭、声音放大装置、声电转化装置以及调理电路板,其中,声音放大装置设有腔室,在腔室上设有入口和出口,腔室内安装有弹性膜将声音放大装置分为亥姆霍兹共振器以及振幅放大器,入口位于亥姆霍兹共振器上,出口位于振幅放大器上,入口设置有与声音收集喇叭的缩口处连接的细颈,声电转化装置的振膜安装于出口处将振幅放大器密封,弹性膜在接收到噪音时相对于声音放大装置振动、进而带动振膜振动,弹性膜的面积大于振膜的面积。
中国发明专利申请号201520567228.9公开了一种利用噪音发电的路灯。该路灯利用三个互成120度角的接收器接受来自不同方向的声波,通过声波的震动,引起压电薄膜产生正压电效应来发电,未被利用的噪声透过声电转换材料进入装置内部,被接收器背部的吸声材料吸收。产生的电能通过电路放大器存储到蓄电池中,存储的电能通过导线流入到LED灯内,光线由LED灯产生,经锥形反光体反射后射出透明灯罩。发光装置两端接有光敏传感器,随时感知外界光线强度的变换,使灯在适当的时候发光发亮。该实用新型的一种利用噪音发电的路灯,发光效率更高、均匀性更好、功耗更合理,对环境友好。
中国发明专利申请号201410220111.3公开了一种适用于噪音发电器,通过新型压电材料PVD压电膜来实现噪声与电能的转换。将声电转换材料设计成梯形附着在喇叭状接收装置的内侧,每片声电转换薄膜产生的电能通过导线汇集到装置下方的电路放大器,经过放大的电流存储到锂电池中,当存储的电能足够多时就能够为LED灯供电。锂电池充满电后可以更换备用电池。同时整个装置还设有两个活动支点,便于接收来自不同方向的声波。以此来通过噪音发电从而给用电器提供电能。该发明达到了节约能源,充分利用噪音。但是这种装置对声波的吸收效率非常低,实用性不强。
从上述发明专利可以总结出,目前的噪音发电装置吸收声波的能力差,只能从单一或者某些方向收集噪声,但是在实际应用中,噪声的传播是从噪声源发出后向四面八方传播,而且遇到障碍物后还可能发生反射现象。二氧化硅气凝胶是一种刚性支撑的多孔材料,具有非常优异的吸声功能,而且其刚性的骨架,适合于将声音的振动传播到基层材料表面,将压电材料与之复合将可能制备出新型噪音发电材料。因此,本发明利用材料各自的优点构建出一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片。
发明内容
针对目前噪音发电装置只能从单一或者某些方向收集噪声,吸收声波的能力差,且结构复杂,构件的辅助机械部分复杂,集成度不高。本发明提出一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法,本发明利用最外层的二氧化硅气凝胶层吸收噪音,并将噪音产生的振动高效传给压电材料,提高振动压力,实现了噪音高效发电。整个材料具有集成化特点,适合于大规模连续生产。
为解决上述问题,本发明采用以下技术方案:
一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,本发明首先将压电材料预制成薄片,然后在其上制备二氧化硅网状结构,通过进一步烧结成型,获得噪音发电压电陶瓷片,具体方法如下:
(1)将8-10质量份导电聚合物粉、1.5-5质量份压电陶瓷粉和0.5-3质量份分散剂在高速混合机中混和分散10-25min,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过600-900℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在压电陶瓷片表面丝网印刷制备另一层电极层,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件300-400℃,22-40Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
优选的,所述机械研磨法包括:球磨法、振动研磨法中的任意一种;
优选的,所述的导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙炔中的一种或几种。
优选的,所述压电陶瓷粉为钛酸钡粉、锆钛酸铅粉、改性锆钛酸铅粉、偏铌酸铅粉、铌酸铅钡锂粉、改性钛酸铅粉,压电陶瓷粉的压电系数 d33大于等于 20pC/N,所述压电陶瓷粉的粒径为0.1-1mm。
优选的,所述分散剂为SP-4330、SP-4310、SP-9810、SP-1800中的一种。
优选的,所述高速混合机的转速为600-1200 rpm。
优选的,所述机械研磨机的转速为60-320 rpm。
优选的,所述涂覆方法为采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为1-5rpm。
优选的,所述电极层的材料为石墨电极、铝电极、银电极、铂电极或金电极。
一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片,其特征是有上述方法制备得到。
现有的噪音发电装置吸收声波的能力差,只能从单一或者某些方向收集噪声,但是在实际应用中,噪声的传播是从噪声源发出后向四面八方传播,而且遇到障碍物后还可能发生反射现象。本发明提出一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法,将压电材料涂覆在钢片表面,预制成薄片,以钢片作为刚性支撑和电极材料,高温固化后形成压电陶瓷片,然后将二氧化硅溶胶涂敷于压电陶瓷表面,进一步在超临界条件下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。本发明利用最外层的二氧化硅气凝胶层吸收噪音,并将噪音产生的振动高效传给压电材料,提高振动压力,实现了噪音高效发电。整个材料具有集成化特点,适合于大规模连续生产。
将本发明制备的通过收集噪音发电的压电陶瓷片与目前仅有的噪音发电装置相比,在转换效率高、环境稳定性、成本、投入等方面具有明显优势,如表1所示。
表1:
性能指标 | 声电转换效率高 | 环境稳定性 | 成本 | 连续生产 |
本发明 | 70-85% | 稳定 | 低 | 可以 |
传统压电复合材料 | 20-50% | 不稳定 | 较低 | 不可以 |
本发明一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片及制备方法,与现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:
1、该技术利用最外层的二氧化硅气凝胶层吸收噪音,并将噪音产生的振动高效传给压电材料,提高振动压力,实现了噪音高效发电。
2、本发明使用的薄膜材料代替复杂的机械结构,在平面内解决了高效吸收声波的问题,节省了材料,提高了利用率。
3、采用不锈钢片作为刚性支撑和电极材料,使得噪音发电材料可以在工业上方便实现连续化生产。
4、本发明方法制备的噪音发电材料,投入小、成本低,具有显著的市场应用价值。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
(1)将8质量份聚苯胺、1.5质量份粒径为0.1mm钛酸钡粉和0.5质量份SP-4330在高速混合机中混和分散10min,所述高速混合机的转速为600 rpm,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,机械研磨机的转速为60-320 rpm研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为1rpm,将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过600℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在所述压电陶瓷表面丝网印刷制备另一层电极层石墨电极,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件300℃,22Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
通过测试,声能转化为电能的转化率达到82%。
实施例2
(1)将8.5质量份聚吡咯、2.1质量份粒径为0.5mm偏铌酸铅粉和1.2质量份SP-4310在高速混合机中混和分散15min,高速混合机的转速为800rpm,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,机械研磨机的转速为120 rpm研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为1.6rpm,将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过750℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在所述压电陶瓷表面丝网印刷制备另一层铝电极,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件350℃,26Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
通过测试,声能转化为电能的转化率达到70%。
实施例3
(1)将9.1质量份聚乙炔粉、3.5质量份粒径为0.7mm改性锆钛酸铅粉和2.3质量份SP-4310在高速混合机中混和分散18min,高速混合机的转速为1000 rpm,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,机械研磨机的转速为220 rpm研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为2.8rpm,将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过820℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在所述压电陶瓷表面丝网印刷制备另一层银电极,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件380℃,28Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
通过测试,声能转化为电能的转化率达到85%。
实施例4
(1)将9.3质量份聚噻吩、3.2质量份粒径为0.8mm偏铌酸铅粉和2.7质量份SP-9810在高速混合机中混和分散21min,高速混合机的转速为1000 rpm,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,机械研磨机的转速为280 rpm研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为4.8rpm,将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过800℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在所述压电陶瓷表面丝网印刷制备另一层铂电极,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件400℃,35Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
通过测试,声能转化为电能的转化率达到84%。
实施例5
(1)将10质量份聚乙炔粉、5质量份粒径为1mm铌酸铅钡锂粉和3质量份SP-1800在高速混合机中混和分散25min,高速混合机的转速为1200 rpm,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,机械研磨机的转速为60-320 rpm,研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)采用传统网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为5rpm,将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过900℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在所述压电陶瓷表面丝网印刷制一层金电极材料,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件400℃,40Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
通过测试,声能转化为电能的转化率达到76%。
Claims (10)
1.一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征是将压电材料预制成薄片,然后在其上制备二氧化硅网状结构,通过进一步烧结成型,获得噪音发电压电陶瓷片,具体方法如下:
(1)将8-10质量份导电聚合物粉、1.5-5质量份压电陶瓷粉和0.5-3质量份分散剂在高速混合机中混和分散10-25min,得到预混物;
(2)采用机械研磨的方法,研磨预混物,使得预混物中的压电陶瓷粉颗粒细化,同时将压电陶瓷粉嵌入导电聚合物中,得到共混压电聚合物;
(3)将共混压电聚合物均匀涂覆在表面清洗过的钢片表面,再经过600-900℃高温烧结形成压电陶瓷片;
(4)在压电陶瓷片表面丝网印刷制备另一层电极层,再将二氧化硅溶胶涂敷其表面,进一步在超临界条件300-400℃,22-40Mpa下干燥,使压电薄片表面形成多孔网状的吸声气凝胶层,进一步烧结形成能够收集噪音发电的压电陶瓷片。
2.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述机械研磨法为:球磨法、振动研磨法中的任意一种。
3.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述的导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙炔中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述压电陶瓷粉为钛酸钡粉、锆钛酸铅粉、改性锆钛酸铅粉、偏铌酸铅粉、铌酸铅钡锂粉、改性钛酸铅粉,压电陶瓷粉的压电系数 d33大于等于 20pC/N,所述压电陶瓷粉的粒径为0.1-1mm。
5.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述分散剂为SP-4330、SP-4310、SP-9810、SP-1800中的一种。
6.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述高速混合机的转速为600-1200 rpm。
7.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述机械研磨机的转速为60-320 rpm。
8.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述涂覆方法为网纹辊涂布方法,所述网纹辊涂布辊的转速为1-5rpm。
9.根据权利要求1所述一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片的制备方法,其特征在于:所述电极层的材料为石墨电极、铝电极、银电极、铂电极或金电极。
10.一种通过收集噪音发电的压电陶瓷片,其特征在于:所述压电陶瓷片由权利要求1-9任一项所述方法制备得到的压电陶瓷片。
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