技术摘要：
本发明公开了一种热释电材料的应用，将热释电材料用于热能收集，利用温度变化将热能转化为电能，所述热释电材料为多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料；所述温度变化≥1℃；所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙率为10％～60％。本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集， 全部
背景技术：
低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃，这些能源种类繁多，包 括太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源；总量巨大，以工业废热为例，有 统计指出，人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放。随着我国经济 的发展，能源生产与消费、能源与环境之间的矛盾不断增加。如何提高能源的利用率，并减 少对环境的污染，引起了社会的广泛关注。我国能源利用率仅为30％，大量余热以各种形式 被排放到环境中，利用这些余热对提高我国能源综合利用率具有重要作用。利用和回收这 部分能源，既有助于解决我国的能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染.现有的热 能收集器主要利用材料的热电效应，通过在材料两端形成温差，利用塞贝克效应，使得材料 两端形成电势差，将热能转化为电能。但由于热电转换材料所需温差较大，在低温条件下能 量转化效率较低，成本高，应用局限性较大。因此，利用热释电材料的热释电效应进行热能 收集，渐渐开始得到人们的关注。 热释电材料多用于红外传感器，在热能收集领域虽有些研究，但少见应用。2018年 徐峰等人利用磁相变合金和热释电材料组合，发明了一种新型的热能收集器。利用磁相变 合金磁性随温度变化而变化的特点，使材料可以获得反复的温度波动，峰值电压达2.3V，但 其使用需要可接触热源，并且只能单一获得热能，热释电材料含铅，存在毒害，并且只能单 一获得热能，不能进行智能化管理。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热释电材料的应用，将热释电 材料用于热能收集。 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 本发明一种热释电材料的应用，将热释电材料用于热能收集，利用温度变化将热 能转化为电能，所述热释电材料为多孔锆钙钛酸钡(BCZT)陶瓷材料；所述温度变化≥1℃。 本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集，发明人发现，多孔锆 钙钛酸钡可作为热释电材料，其工作原理为当环境温度发生变化，热释电材料由于热释电 效应，使材料的上下表面产生电压，将热能转换为电能，因而与目前用于热能收集的热电转 换材料不用，热电转换材料所需温差较大，而本发明中将多孔锆钙钛酸钡作为热释电材料 用于热能收集，其热能转化为电能的条件为温度变化≥1℃，即只需有1℃的温度波动，即能 实现热能收集产电，热能收集的效率相对于现有技术的热电材料大幅提升。 本发明一种热释电材料的应用，所述热释电材料在热能收集过程中，当温度变化 ≥1℃时，热释电材料的峰值电压≥8，峰值电流≥5μA；当温度变化≥5℃；热释电材料的峰 值电压≥15V，峰值电流≥12μA。 3 CN 111592351 A 说 明 书 2/5 页 本发明一种热释电材料的应用，所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙率为10％～ 60％。优选为40～60％，进一步优选为50～60％。 本发明中，所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的相对介电常数随孔隙率的增加而 减低，相介电常数越低，材料热能收集效率越高。 本发明一种热释电材料的应用，所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为无取向多孔结构 或取向多孔结构，优选为取向多孔结构。 发明人发现，取向多孔结构的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的热量收集效果更优，收 集能量更多更快。 本发明一种热释电材料的应用，当多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为无取向多孔结构 时，其制备方法为： 将BCZT陶瓷粉体与乙醇混合后，加入玉米淀粉、PVA再次混合、干燥获得混合粉，将 混合粉压制成型、煅烧即可多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料。 作为优选，所述玉米淀粉的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0～48％。玉米淀粉为成 孔剂，通过加入不同含量的玉末淀粉，获得具有不同孔隙率的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料。 作为优选，所述聚乙烯醇(PVA)的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5～2.5％％。所 加入的PVA作为粘结剂。 作为优选，所述煅烧的程序为，先升温至400～700℃保温3～8h，然后再升温至 1250～1550℃保温3～7h。 本发明一种热释电材料的应用，当多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为取向多孔结构时， 其制备方法为： 将BCZT陶瓷粉体与水、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵混合获得悬浮液，所述悬浮液的粘度 为2～45mPa·s，再将悬浮液置于模具中，然后将模具置于定向温度场中定向冷冻，其中冷 端的温度变化为-198～0℃，对应的热端温度变化为0～20℃，并控制冷冻速率为1～20℃/ min；将定向冷冻形成的冰坯进行干燥，获得具有取向多孔的坯体，将坯体煅烧即可多孔锆 钙钛酸钡陶瓷材料。 在本发明中，通过冰冻模板法获得具有取向多孔结构的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材 料，浆料在定向低温场中进行溶剂凝固与颗粒重排处理，将冷冻后的冰坯置于冷冻干燥机 内的低温低压环境下，溶剂升华后留下长程有序的取向多孔孔道结构。 作为优选，所述BCZT陶瓷粉体的粒径为0.3～1μm。发明人发现，将陶瓷颗粒的粒径 控制在上述范围内，可以使得多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙取向度最佳。 作为优选，所述浆液中，BCZT陶瓷粉体的质量分数10-50wt.％ 作为优选，所述聚乙烯醇加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5-2.5％％。 作为优选，所述聚丙烯酸铵的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5-2.5％％。 作为优选，所述定向温度场的冷冻介质为液氮。在本发明中，冷端是指模具中与液 氮接触或者说靠近液氮液面的一端，而热端是相对应的另一端。 通过控制冷端与液氮接触或者说与液氮的距离，控制冷冻速度。 作为优选，所述定向温度场的温度梯度≥0.1℃/mm。 作为优选，所述冷端的温度变化为-198～-80℃。 作为优选，所述冷冻速率为1～5℃/min 4 CN 111592351 A 说 明 书 3/5 页 作为优选，所述干燥的温度为-100～-10℃，压力为5-30Pa。 作为优选，所述煅烧的程序为，先升温至400-700℃℃保温3-8h，然后再升温至 1250-1550℃保温4-8h。 本发明一种热释电材料的应用，所述BCZT陶瓷粉体的制备方法为：按0 .5Ba (Ca0 .8Zr0 .2)O3-0 .5(Ba0 .7Ca0 .3)TiO3的化学式，根据化学计量比，配取BaCO3、CaCO3、TiO2、 ZrO2，混合获得混合粉体，将混合粉体球磨≥4h后，获得球磨料，球磨料于950-1250℃下煅 烧2-6h，所得煅烧产物经球磨破碎即得到BCZT陶瓷粉体。 有益效果 本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集，发明人发现，多孔锆 钙钛酸钡可作为热释电材料，其工作原理为当环境温度发生变化，热释电材料由于热释电 效应，使材料的上下表面产生电压，将热能转换为电能，因而与目前用于热能收集的热电转 换材料不用，热电转换材料所需温差较大，而本发明中将多孔锆钙钛酸钡作为热释电材料 用于热能收集，其热能转化为电能的条件为温度波动≥1℃，即只需有1℃的温差，即能实现 热能收集，热能收集的效率相对于现有技术的热电材料大幅提升。 附图说明 图1为将热释电材料进行热量收集的热能收集智能系统的原理示意图。 图2为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的实物图。 图3为实施例1中不同孔隙率的BCZT陶瓷材料的相对介电常数，在1kHz条件下，孔 隙率对相对介电常数的影响。可以发现，所制备的BCZT陶瓷材料的相对介电常数随孔隙率 的增加而减低，相介电常数越低，材料热能收集效率越高。 图4为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统中热释电材料温 度—时间曲线。材料温度变化峰值约为1℃，频率为0.3Hz。 图5为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的能量—时间曲线。 图6为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的电压—时间曲线。 如图所示，测得峰值电压可达10V。 图7为实施例1中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图。 图8为实施例2中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图。 图9为实施例2中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的能量—时间曲线。 图10为对比例1中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图
本发明公开了一种热释电材料的应用，将热释电材料用于热能收集，利用温度变化将热能转化为电能，所述热释电材料为多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料；所述温度变化≥1℃；所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙率为10％～60％。本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集， 全部
背景技术：
低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃，这些能源种类繁多，包 括太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源；总量巨大，以工业废热为例，有 统计指出，人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放。随着我国经济 的发展，能源生产与消费、能源与环境之间的矛盾不断增加。如何提高能源的利用率，并减 少对环境的污染，引起了社会的广泛关注。我国能源利用率仅为30％，大量余热以各种形式 被排放到环境中，利用这些余热对提高我国能源综合利用率具有重要作用。利用和回收这 部分能源，既有助于解决我国的能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染.现有的热 能收集器主要利用材料的热电效应，通过在材料两端形成温差，利用塞贝克效应，使得材料 两端形成电势差，将热能转化为电能。但由于热电转换材料所需温差较大，在低温条件下能 量转化效率较低，成本高，应用局限性较大。因此，利用热释电材料的热释电效应进行热能 收集，渐渐开始得到人们的关注。 热释电材料多用于红外传感器，在热能收集领域虽有些研究，但少见应用。2018年 徐峰等人利用磁相变合金和热释电材料组合，发明了一种新型的热能收集器。利用磁相变 合金磁性随温度变化而变化的特点，使材料可以获得反复的温度波动，峰值电压达2.3V，但 其使用需要可接触热源，并且只能单一获得热能，热释电材料含铅，存在毒害，并且只能单 一获得热能，不能进行智能化管理。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热释电材料的应用，将热释电 材料用于热能收集。 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 本发明一种热释电材料的应用，将热释电材料用于热能收集，利用温度变化将热 能转化为电能，所述热释电材料为多孔锆钙钛酸钡(BCZT)陶瓷材料；所述温度变化≥1℃。 本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集，发明人发现，多孔锆 钙钛酸钡可作为热释电材料，其工作原理为当环境温度发生变化，热释电材料由于热释电 效应，使材料的上下表面产生电压，将热能转换为电能，因而与目前用于热能收集的热电转 换材料不用，热电转换材料所需温差较大，而本发明中将多孔锆钙钛酸钡作为热释电材料 用于热能收集，其热能转化为电能的条件为温度变化≥1℃，即只需有1℃的温度波动，即能 实现热能收集产电，热能收集的效率相对于现有技术的热电材料大幅提升。 本发明一种热释电材料的应用，所述热释电材料在热能收集过程中，当温度变化 ≥1℃时，热释电材料的峰值电压≥8，峰值电流≥5μA；当温度变化≥5℃；热释电材料的峰 值电压≥15V，峰值电流≥12μA。 3 CN 111592351 A 说 明 书 2/5 页 本发明一种热释电材料的应用，所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙率为10％～ 60％。优选为40～60％，进一步优选为50～60％。 本发明中，所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的相对介电常数随孔隙率的增加而 减低，相介电常数越低，材料热能收集效率越高。 本发明一种热释电材料的应用，所述多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为无取向多孔结构 或取向多孔结构，优选为取向多孔结构。 发明人发现，取向多孔结构的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的热量收集效果更优，收 集能量更多更快。 本发明一种热释电材料的应用，当多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为无取向多孔结构 时，其制备方法为： 将BCZT陶瓷粉体与乙醇混合后，加入玉米淀粉、PVA再次混合、干燥获得混合粉，将 混合粉压制成型、煅烧即可多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料。 作为优选，所述玉米淀粉的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0～48％。玉米淀粉为成 孔剂，通过加入不同含量的玉末淀粉，获得具有不同孔隙率的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料。 作为优选，所述聚乙烯醇(PVA)的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5～2.5％％。所 加入的PVA作为粘结剂。 作为优选，所述煅烧的程序为，先升温至400～700℃保温3～8h，然后再升温至 1250～1550℃保温3～7h。 本发明一种热释电材料的应用，当多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料为取向多孔结构时， 其制备方法为： 将BCZT陶瓷粉体与水、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵混合获得悬浮液，所述悬浮液的粘度 为2～45mPa·s，再将悬浮液置于模具中，然后将模具置于定向温度场中定向冷冻，其中冷 端的温度变化为-198～0℃，对应的热端温度变化为0～20℃，并控制冷冻速率为1～20℃/ min；将定向冷冻形成的冰坯进行干燥，获得具有取向多孔的坯体，将坯体煅烧即可多孔锆 钙钛酸钡陶瓷材料。 在本发明中，通过冰冻模板法获得具有取向多孔结构的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材 料，浆料在定向低温场中进行溶剂凝固与颗粒重排处理，将冷冻后的冰坯置于冷冻干燥机 内的低温低压环境下，溶剂升华后留下长程有序的取向多孔孔道结构。 作为优选，所述BCZT陶瓷粉体的粒径为0.3～1μm。发明人发现，将陶瓷颗粒的粒径 控制在上述范围内，可以使得多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的孔隙取向度最佳。 作为优选，所述浆液中，BCZT陶瓷粉体的质量分数10-50wt.％ 作为优选，所述聚乙烯醇加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5-2.5％％。 作为优选，所述聚丙烯酸铵的加入量为BCZT陶瓷粉体质量的0.5-2.5％％。 作为优选，所述定向温度场的冷冻介质为液氮。在本发明中，冷端是指模具中与液 氮接触或者说靠近液氮液面的一端，而热端是相对应的另一端。 通过控制冷端与液氮接触或者说与液氮的距离，控制冷冻速度。 作为优选，所述定向温度场的温度梯度≥0.1℃/mm。 作为优选，所述冷端的温度变化为-198～-80℃。 作为优选，所述冷冻速率为1～5℃/min 4 CN 111592351 A 说 明 书 3/5 页 作为优选，所述干燥的温度为-100～-10℃，压力为5-30Pa。 作为优选，所述煅烧的程序为，先升温至400-700℃℃保温3-8h，然后再升温至 1250-1550℃保温4-8h。 本发明一种热释电材料的应用，所述BCZT陶瓷粉体的制备方法为：按0 .5Ba (Ca0 .8Zr0 .2)O3-0 .5(Ba0 .7Ca0 .3)TiO3的化学式，根据化学计量比，配取BaCO3、CaCO3、TiO2、 ZrO2，混合获得混合粉体，将混合粉体球磨≥4h后，获得球磨料，球磨料于950-1250℃下煅 烧2-6h，所得煅烧产物经球磨破碎即得到BCZT陶瓷粉体。 有益效果 本发明首创的将多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料应用于热能收集，发明人发现，多孔锆 钙钛酸钡可作为热释电材料，其工作原理为当环境温度发生变化，热释电材料由于热释电 效应，使材料的上下表面产生电压，将热能转换为电能，因而与目前用于热能收集的热电转 换材料不用，热电转换材料所需温差较大，而本发明中将多孔锆钙钛酸钡作为热释电材料 用于热能收集，其热能转化为电能的条件为温度波动≥1℃，即只需有1℃的温差，即能实现 热能收集，热能收集的效率相对于现有技术的热电材料大幅提升。 附图说明 图1为将热释电材料进行热量收集的热能收集智能系统的原理示意图。 图2为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的实物图。 图3为实施例1中不同孔隙率的BCZT陶瓷材料的相对介电常数，在1kHz条件下，孔 隙率对相对介电常数的影响。可以发现，所制备的BCZT陶瓷材料的相对介电常数随孔隙率 的增加而减低，相介电常数越低，材料热能收集效率越高。 图4为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统中热释电材料温 度—时间曲线。材料温度变化峰值约为1℃，频率为0.3Hz。 图5为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的能量—时间曲线。 图6为实施例1中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的电压—时间曲线。 如图所示，测得峰值电压可达10V。 图7为实施例1中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图。 图8为实施例2中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图。 图9为实施例2中基于热释电效应的低品位热能收集智能系统的能量—时间曲线。 图10为对比例1中所制备的多孔锆钙钛酸钡陶瓷材料的多孔形貌图
