本發(fā)明涉及壓電陶瓷聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片及制備方法。
背景技術(shù)：
：能源是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著能源的大量應(yīng)用，人們不斷通過提高資源使用效率，開發(fā)新能源來滿足日益增長的能源需求。噪音是一類引起人煩躁、或音量過強(qiáng)而危害人體健康的聲音。噪音污染主要來源于交通運(yùn)輸、車輛鳴笛、工業(yè)噪音、建筑施工、社會(huì)噪音如音樂廳、高音喇叭、早市和人的大聲說話等。噪聲也具有一定的能量，例如噪聲達(dá)到160db的噴氣式飛機(jī)，其聲功率約為10kw；噪聲達(dá)到140db的大型鼓風(fēng)機(jī)，其聲功率為100w。其他各種情況，如汽車、音響等聲源產(chǎn)生的噪聲也具有很大的能量值。聲電轉(zhuǎn)化裝置能將環(huán)境中的聲能轉(zhuǎn)化為電能，不僅可以有效地降低環(huán)境中的噪聲保護(hù)環(huán)境，還能為我們的移動(dòng)設(shè)備提供能源，應(yīng)用前景非常廣闊。壓電材料被廣泛應(yīng)用與壓力與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，本發(fā)明利用壓電材料的本征特性，提出一種簡單的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)收集噪音發(fā)電的目的。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410273384.4公開了一種噪音發(fā)電裝置，包括依次連接的聲音收集喇叭、聲音放大裝置、聲電轉(zhuǎn)化裝置以及調(diào)理電路板，其中，聲音放大裝置設(shè)有腔室，在腔室上設(shè)有入口和出口，腔室內(nèi)安裝有彈性膜將聲音放大裝置分為亥姆霍茲共振器以及振幅放大器，入口位于亥姆霍茲共振器上，出口位于振幅放大器上，入口設(shè)置有與聲音收集喇叭的縮口處連接的細(xì)頸，聲電轉(zhuǎn)化裝置的振膜安裝于出口處將振幅放大器密封，彈性膜在接收到噪音時(shí)相對于聲音放大裝置振動(dòng)、進(jìn)而帶動(dòng)振膜振動(dòng)，彈性膜的面積大于振膜的面積。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01520567228.9公開了一種利用噪音發(fā)電的路燈。該路燈利用三個(gè)互成120度角的接收器接受來自不同方向的聲波，通過聲波的震動(dòng)，引起壓電薄膜產(chǎn)生正壓電效應(yīng)來發(fā)電，未被利用的噪聲透過聲電轉(zhuǎn)換材料進(jìn)入裝置內(nèi)部，被接收器背部的吸聲材料吸收。產(chǎn)生的電能通過電路放大器存儲(chǔ)到蓄電池中，存儲(chǔ)的電能通過導(dǎo)線流入到led燈內(nèi)，光線由led燈產(chǎn)生，經(jīng)錐形反光體反射后射出透明燈罩。發(fā)光裝置兩端接有光敏傳感器，隨時(shí)感知外界光線強(qiáng)度的變換，使燈在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)光發(fā)亮。該實(shí)用新型的一種利用噪音發(fā)電的路燈，發(fā)光效率更高、均勻性更好、功耗更合理，對環(huán)境友好。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410220111.3公開了一種適用于噪音發(fā)電器，通過新型壓電材料pvd壓電膜來實(shí)現(xiàn)噪聲與電能的轉(zhuǎn)換。將聲電轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)成梯形附著在喇叭狀接收裝置的內(nèi)側(cè)，每片聲電轉(zhuǎn)換薄膜產(chǎn)生的電能通過導(dǎo)線匯集到裝置下方的電路放大器，經(jīng)過放大的電流存儲(chǔ)到鋰電池中，當(dāng)存儲(chǔ)的電能足夠多時(shí)就能夠?yàn)閘ed燈供電。鋰電池充滿電后可以更換備用電池。同時(shí)整個(gè)裝置還設(shè)有兩個(gè)活動(dòng)支點(diǎn)，便于接收來自不同方向的聲波。以此來通過噪音發(fā)電從而給用電器提供電能。該發(fā)明達(dá)到了節(jié)約能源，充分利用噪音。但是這種裝置對聲波的吸收效率非常低，實(shí)用性不強(qiáng)。從上述發(fā)明專利可以總結(jié)出，目前的噪音發(fā)電裝置吸收聲波的能力差，只能從單一或者某些方向收集噪聲，但是在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的傳播是從噪聲源發(fā)出后向四面八方傳播，而且遇到障礙物后還可能發(fā)生反射現(xiàn)象。二氧化硅氣凝膠是一種剛性支撐的多孔材料，具有非常優(yōu)異的吸聲功能，而且其剛性的骨架，適合于將聲音的振動(dòng)傳播到基層材料表面，將壓電材料與之復(fù)合將可能制備出新型噪音發(fā)電材料。因此，本發(fā)明利用材料各自的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建出一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對目前噪音發(fā)電裝置只能從單一或者某些方向收集噪聲，吸收聲波的能力差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件的輔助機(jī)械部分復(fù)雜，集成度不高。本發(fā)明提出一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片及制備方法，本發(fā)明利用最外層的二氧化硅氣凝膠層吸收噪音，并將噪音產(chǎn)生的振動(dòng)高效傳給壓電材料，提高振動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)了噪音高效發(fā)電。整個(gè)材料具有集成化特點(diǎn)，適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片的制備方法，本發(fā)明首先將壓電材料預(yù)制成薄片，然后在其上制備二氧化硅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)一步燒結(jié)成型，獲得噪音發(fā)電壓電陶瓷片，具體方法如下：（1）將8-10質(zhì)量份導(dǎo)電聚合物粉、1.5-5質(zhì)量份壓電陶瓷粉和0.5-3質(zhì)量份分散劑在高速混合機(jī)中混和分散10-25min，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過600-900℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在壓電陶瓷片表面絲網(wǎng)印刷制備另一層電極層，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件300-400℃，22-40mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。優(yōu)選的，所述機(jī)械研磨法包括：球磨法、振動(dòng)研磨法中的任意一種；優(yōu)選的，所述的導(dǎo)電聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙炔中的一種或幾種。優(yōu)選的，所述壓電陶瓷粉為鈦酸鋇粉、鋯鈦酸鉛粉、改性鋯鈦酸鉛粉、偏鈮酸鉛粉、鈮酸鉛鋇鋰粉、改性鈦酸鉛粉，壓電陶瓷粉的壓電系數(shù)d33大于等于20pc/n，所述壓電陶瓷粉的粒徑為0.1-1mm。優(yōu)選的，所述分散劑為sp-4330、sp-4310、sp-9810、sp-1800中的一種。優(yōu)選的，所述高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為600-1200rpm。優(yōu)選的，所述機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為60-320rpm。優(yōu)選的，所述涂覆方法為采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為1-5rpm。優(yōu)選的，所述電極層的材料為石墨電極、鋁電極、銀電極、鉑電極或金電極。一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片，其特征是有上述方法制備得到。現(xiàn)有的噪音發(fā)電裝置吸收聲波的能力差，只能從單一或者某些方向收集噪聲，但是在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的傳播是從噪聲源發(fā)出后向四面八方傳播，而且遇到障礙物后還可能發(fā)生反射現(xiàn)象。本發(fā)明提出一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片及制備方法，將壓電材料涂覆在鋼片表面，預(yù)制成薄片，以鋼片作為剛性支撐和電極材料，高溫固化后形成壓電陶瓷片，然后將二氧化硅溶膠涂敷于壓電陶瓷表面，進(jìn)一步在超臨界條件下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。本發(fā)明利用最外層的二氧化硅氣凝膠層吸收噪音，并將噪音產(chǎn)生的振動(dòng)高效傳給壓電材料，提高振動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)了噪音高效發(fā)電。整個(gè)材料具有集成化特點(diǎn)，適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。將本發(fā)明制備的通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片與目前僅有的噪音發(fā)電裝置相比，在轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境穩(wěn)定性、成本、投入等方面具有明顯優(yōu)勢，如表1所示。表1：性能指標(biāo)聲電轉(zhuǎn)換效率高環(huán)境穩(wěn)定性成本連續(xù)生產(chǎn)本發(fā)明70-85%穩(wěn)定低可以傳統(tǒng)壓電復(fù)合材料20-50%不穩(wěn)定較低不可以本發(fā)明一種通過收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)和優(yōu)異的效果在于：1、該技術(shù)利用最外層的二氧化硅氣凝膠層吸收噪音，并將噪音產(chǎn)生的振動(dòng)高效傳給壓電材料，提高振動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)了噪音高效發(fā)電。2、本發(fā)明使用的薄膜材料代替復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在平面內(nèi)解決了高效吸收聲波的問題，節(jié)省了材料，提高了利用率。3、采用不銹鋼片作為剛性支撐和電極材料，使得噪音發(fā)電材料可以在工業(yè)上方便實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。4、本發(fā)明方法制備的噪音發(fā)電材料，投入小、成本低，具有顯著的市場應(yīng)用價(jià)值。具體實(shí)施方式以下通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實(shí)施例1（1）將8質(zhì)量份聚苯胺、1.5質(zhì)量份粒徑為0.1mm鈦酸鋇粉和0.5質(zhì)量份sp-4330在高速混合機(jī)中混和分散10min，所述高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為600rpm，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為60-320rpm研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為1rpm，將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過600℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在所述壓電陶瓷表面絲網(wǎng)印刷制備另一層電極層石墨電極，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件300℃，22mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。通過測試，聲能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率達(dá)到82%。實(shí)施例2（1）將8.5質(zhì)量份聚吡咯、2.1質(zhì)量份粒徑為0.5mm偏鈮酸鉛粉和1.2質(zhì)量份sp-4310在高速混合機(jī)中混和分散15min，高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為800rpm，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為120rpm研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為1.6rpm，將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過750℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在所述壓電陶瓷表面絲網(wǎng)印刷制備另一層鋁電極，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件350℃，26mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。通過測試，聲能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%。實(shí)施例3（1）將9.1質(zhì)量份聚乙炔粉、3.5質(zhì)量份粒徑為0.7mm改性鋯鈦酸鉛粉和2.3質(zhì)量份sp-4310在高速混合機(jī)中混和分散18min，高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為220rpm研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為2.8rpm，將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過820℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在所述壓電陶瓷表面絲網(wǎng)印刷制備另一層銀電極，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件380℃，28mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。通過測試，聲能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%。實(shí)施例4（1）將9.3質(zhì)量份聚噻吩、3.2質(zhì)量份粒徑為0.8mm偏鈮酸鉛粉和2.7質(zhì)量份sp-9810在高速混合機(jī)中混和分散21min，高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為280rpm研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為4.8rpm，將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過800℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在所述壓電陶瓷表面絲網(wǎng)印刷制備另一層鉑電極，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件400℃，35mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。通過測試，聲能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率達(dá)到84%。實(shí)施例5（1）將10質(zhì)量份聚乙炔粉、5質(zhì)量份粒徑為1mm鈮酸鉛鋇鋰粉和3質(zhì)量份sp-1800在高速混合機(jī)中混和分散25min，高速混合機(jī)的轉(zhuǎn)速為1200rpm，得到預(yù)混物；（2）采用機(jī)械研磨的方法，機(jī)械研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為60-320rpm，研磨預(yù)混物，使得預(yù)混物中的壓電陶瓷粉顆粒細(xì)化，同時(shí)將壓電陶瓷粉嵌入導(dǎo)電聚合物中，得到共混壓電聚合物；（3）采用傳統(tǒng)網(wǎng)紋輥涂布方法，所述網(wǎng)紋輥涂布輥的轉(zhuǎn)速為5rpm，將共混壓電聚合物均勻涂覆在表面清洗過的鋼片表面，再經(jīng)過900℃高溫?zé)Y(jié)形成壓電陶瓷片；（4）在所述壓電陶瓷表面絲網(wǎng)印刷制一層金電極材料，再將二氧化硅溶膠涂敷其表面，進(jìn)一步在超臨界條件400℃，40mpa下干燥，使壓電薄片表面形成多孔網(wǎng)狀的吸聲氣凝膠層，進(jìn)一步燒結(jié)形成能夠收集噪音發(fā)電的壓電陶瓷片。通過測試，聲能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率達(dá)到76%。當(dāng)前第1頁12