专利名称：一种热释电陶瓷材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热释电陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。
技术背景
热释电效应是指具有自发极化的材料在温度变化后产生电荷的效应，可直接用于红外探测、热-电能量转换、热焦耳应用等方面，常用热释电材料涵盖单晶、陶瓷、高分子等种类。通过热释电材料不同物理参数的组合可以获得不同评价材料热释电性能的新参数， 即所谓的优值因子(Figure of Merit，R)M)。通常使用的优值因子FoM如下
1、电压优值因子:FV = p/(c ε ε 0)；
2、电流优值因子=Fi = p/c ；
3、探测度优值因子Fd = p/c (ε e0tan5)1/2o
上述各式中ρ为材料的热释电系数，c为材料的体积热容，ε为材料在使用频率的相对介电常数，^为真空介电常数，tan δ为材料在使用频率的介电损耗。Fv适用于探测元电容远大于放大器电容的场合，即Cd >> Ca A适用于Cd << Ca的情况；若Cd与Ca相差不大，用&描述材料性能最为恰当。总的来说，材料的热释电系数和介电性能对器件响应有着至关重要的影响。
由于具有制备方便、成本低廉、性能稳定等优点，热释电陶瓷的应用最为广泛，典型的即为在人体传感(人体移动监控/环境控制)中的应用。在早期器件设计中，由于热释电陶瓷本身的高阻性能，通常需要给热释电探测元并联一个较低的电阻，以达到与场效应管(FET)阻抗匹配的目的。上世纪90年代以来，随着器件小型化和集成化发展的要求， 匹配电阻逐步被取消，这对探测元本身的电阻值提出了更为苛刻的要求如果电阻值太高， 必然增大输入电路的时间常数，降低元件对信号的响应速度，有可能产生漏信号或使信号截至；如果电阻值太低，则在极化过程中容易击穿，不利于批量化生产。然而，在某些对探测率和探测精度要求极高的场合，如火灾预警、阵列成像领域等，又需要热释电陶瓷在保持较高热释电性能的同时具有尽量低的损耗，这时电阻率越高越好。可见，热释电陶瓷的电阻率在器件设计上也是一个重要的考量因素。
作为传统热释电材料，Pb (ZrxTi1J O3 (PZT)基陶瓷已经被研究的相当透彻，而鲜有见到Sn改性的PZT(PZST)陶瓷应用于热释电的报道。长期以来，对PZST基陶瓷的相变行为进行了广泛研究，而PZST陶瓷也以其相变时的电致伸缩和能量转换效应被广泛应用在储能电容器等领域。2005年Chan W. H.等人Appl. Phys. Lett. 87，1拟904 Q005)报道了 La掺杂改性的PZST基陶瓷中伴随电场诱导的铁电相(FEin)-AFE相变的热释电效应。张红玲等人Appl. Phys. Lett. 94，252902 (2009)报道了另一个PZST陶瓷体系的热释电响应， 发现陶瓷在FEin-AFE相变时热释电系数可高达160X 10_8C · cm—2 · K—1。但由于这种相变是电场诱导产生的，升降温时热滞很大(> 30°C )，限制了其实际应用。发明内容
针对现有技术所存在的上述问题和缺陷，本发明的目的是提供一种热释电陶瓷材料及其制备方法，以拓宽现有热释电陶瓷的种类，为红外热释电探测技术提供一种新的候选材料。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下
一种热释电陶瓷材料，具有如下组成通式
(Pb1+5) (Mgl73Nb273) ,(ZrxSn1^yTiy) ^A+W at. % A，其中0 < δ ^ 0.05,0 < w 彡 10，0· 75 彡 χ 彡 0· 90，0· 10 彡 y 彡 0· 25，0· 01 彡 ζ 彡 0· 10 ；所述的 A 为 Fe、Cr、Mn 中的任意一种或二种以上的组合。
作为优选方案，所述的热释电陶瓷材料，具有如下组成通式
(Pb1.005) (Mgl73Nb273)ο.07 (Zr0.83Sn0.02Ti0.15) 0.9303+w at. % A，其中0. 1 彡 w 彡 5 ；所述的A为Fe、Cr、Mn中的任意一种或二种以上的组合。
一种制备上述的热释电陶瓷材料的方法，包括如下步骤
a)按化学计量比称取 Pb304、ZrO2, TiO2, SnO2, Nb2O5, Mg2 (OH)2CO3 及 A 的氧化物或碳酸盐，再加入烧结助剂；湿法球磨使混合均勻，烘干后压块，在空气气氛下合成，得陶瓷粉体；
b)将步骤a)所得陶瓷粉体进行湿法球磨，烘干后加入粘结剂造粒，然后进行陈化、压制成型、升温排塑，得陶瓷坯体；
c)将步骤b)所得陶瓷坯体进行高温烧结，冷却得陶瓷材料；
d)将步骤C)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，化学法镀Ni电极，清洗，烘干；
e)将有电极的样品放在硅油中进行极化。
作为进一步优选方案，所述的烧结助剂为Al2O3与S^2的混合物；所述的烧结助剂的添加总量占PMN-PZST陶瓷质量的0 5wt. %。
作为进一步优选方案，步骤a)中所述的湿法球磨是采用去离子水，玛瑙球做介质，按照物料玛瑙球去离子水=1 (1. 3 1. 8) (0. 4 1. 0)的比例混合，球磨 20 28小时。
作为进一步优选方案，步骤a)中所述的合成条件是以2°C /min的升温速率升至 800 880°C，然后保温1 3小时。
作为进一步优选方案，步骤b)中所述的湿法球磨是采用去离子水，玛瑙球做介质，按照物料玛瑙球去离子水=1 (1. 6 2. 0) (0. 5 0. 7)的比例混合，球磨 20 28小时。
作为进一步优选方案，步骤b)中所述的粘结剂为3 9wt. %的聚乙烯醇水溶液； 所述粘结剂的加入量占烘干后的陶瓷粉体质量的5 8wt. %。
作为进一步优选方案，步骤b)中的陈化时间为22 沈小时；排塑温度为750 850 "C。
作为进一步优选方案，步骤c)中的高温烧结条件是以低于3°C /min的升温速率升至1160 1300°C，然后保温1 2小时。
作为进一步优选方案，步骤e)中的极化条件是在0. 6 2. 5kV/mm的电场强度下、20 120°C的硅油中，极化15 30分钟。
与现有技术相比，本发明的热释电陶瓷材料具有以下优点具有稳定而适中的热释电系数(集中在3.0\10_%/(^2\1(左右)；具有较低的介电常数(在200左右)，较低的介电损耗(< )；具有较大范围内可调的电阻率(在10"Ω · cm 1013Ω · cm可调)； 本发明的热释电陶瓷材料拓宽了 PZST体系的应用温度范围，可望应用于非制冷红外探测领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明。
实施例1
a)按照通式(Pb1.005) (Mgl73Nb273) . 07 (Zr0.83Sn0.02Ti0.15) .9303+4. 5at. % Mn 称取化学计量比的 Pb3O4 229. 7g、ZrO2 94. 9g、TiO2 11. 2g、SnO2 21. 4g、MnCO3 27. lg、Nb2O5 6. 2g、 Mg2 (OH)2CO3 1.7g，再加入 0.3g Al2O3 和 0.3g SiO2 ；加入去离子水 313. 8g，料球水= 1 : 1.5 : 0.7，以玛瑙球为球磨介质进行湿法球磨M小时；烘干，压块，在空气气氛下合成以2°C /min的升温速率升至830°C，然后保温2小时，得陶瓷粉体；
b)将步骤a)所得陶瓷粉体再用湿式球磨法细磨M小时，料球水= 1 1.8 0.6，球磨介质为玛瑙球；烘干后加入IOg浓度为6wt. %的PVA水溶液作为粘结剂进行造粒，然后进行陈化22小时、压制成型、在800°C下排塑，得陶瓷坯体；
c)将步骤b)所得的陶瓷坯体放入三重倒置的氧化铝坩埚中，用具有相同组成的陶瓷粉料将坯体覆盖，然后盖上磨口盖子后放入高温炉中进行烧结以低于3°C /min的升温速率升至1260°C，然后保温2小时，随炉冷却，得陶瓷材料；
d)将步骤C)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，采用化学法镀Ni电极；
e)将有电极的样品放在硅油中进行极化在2. 5kV/mm的电场强度、90°C的硅油中极化20分钟，放置M小时，得热释电陶瓷材料。
采用LCR测试仪(型号同惠测试样品的电容和介电损耗，测试频率1kHz， 按照公式ε , = Cd/( ε 0Α)计算得到样品介电常数；用高阻计(型号ΗΡ 4329Α)测试样品的电阻，按照公式P =RA/d计算得到样品电阻率。用静态电流法测量升温过程中的电荷释放，按公式P = I/[A(dT/dt)]计算其热释电系数，升温过程由在高低温实验箱(型号富奇 VT7004)中进行，升温速率2°C/分钟，升温过程中的温度由万用表(型号=Keithley 2001) 监测记录，升温过程中电流由静电计(型号=Keithley 6517A)监测记录。以上各式中A为样品面积，d为样品厚度，C为样品电容，ε ^为真空介电常数，R为样品电阻，I为升温过程中的热释电电流，T为样品所处环境温度，t为时间。
经检测得知，本实施例所得热释电陶瓷材料的介电常数、为195，介电损耗 tan δ 为 0. 7% ；热释电系数 ρ 为 3. 3Xl(T8C/cm2*K，电阻率 P 为 5Χ10"Ω .cm。
实施例2
a)按照通式(Pb1.005) (Mgl73Nb273) 0.07 (Zr0.83Sn0.02Ti0.15) 0.9303+3at. % Mn+0. 3at. % Fe 称取化学计量比的 Pb3O4 229. 7g、ZrO2 94. 9g、TiO2 11. 2g、SnO2 21. 4g、MnCO3 17. 8g、 Fe2O3 1.2g、Nb2O5 6. 2g, Mg2 (OH)2CO3 1.7g，再加入 0. 3g Al2O3 和 0. 3g SiO2 ；加入去离子水 313.8g，料球水=1 : 1.5 : 0.7，以玛瑙球为球磨介质进行湿法球磨M小时；烘干，压块，在空气气氛下合成以2°C /min的升温速率升至880°C，然后保温1小时，得陶瓷粉体；
b)将步骤a)所得陶瓷粉体再用湿式球磨法细磨观小时，料球水= 1 1.6 0.5，球磨介质为玛瑙球；烘干后加入12g浓度为5wt. %的PVA水溶液作为粘结剂进行造粒，然后进行陈化沈小时、压制成型、在800°C下排塑，得陶瓷坯体；
c)将步骤b)所得的陶瓷坯体放入三重倒置的氧化铝坩埚中，用具有相同组成的陶瓷粉料将坯体覆盖，然后盖上磨口盖子后放入高温炉中进行烧结以低于3°C /min的升温速率升至1300°C，然后保温1小时，随炉冷却，得陶瓷材料；
d)将步骤C)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，采用化学法镀Ni电极；
e)将有电极的样品放在硅油中进行极化在0. 6kV/mm的电场强度、120°C的硅油中极化30分钟，放置M小时，得热释电陶瓷材料。
经检测得知，本实施例所得热释电陶瓷材料的介电常数、为179，介电损耗 tan δ 为 0. 4% ；热释电系数 ρ 为 2. 9Xl(T8C/cm2*K，电阻率 P 为 1.4 X IO12 Ω .cm。
实施例3
a)按照通式:(Pb1J5) (Mgl73Nb273) 0.07 (Zr0.83Sn0.02Ti0.15) 0.9303+3at. % Mn 称取化学计量比的 Pb3O4 229. 7g, ZrO2 94. 9g、TiO2 11. 2g, SnO2 21. 4g、MnCO3 17. 8g、Nb2056. 2g、 Mg2 (OH)2CO3 1.7g，再加入 0.3g Al2O3 和 0.3g SiO2 ；加入去离子水 313. 8g，料球水= 1 : 1.5 : 0.7，以玛瑙球为球磨介质进行湿法球磨M小时；烘干，压块，在空气气氛下合成以2°C /min的升温速率升至800°C，然后保温3小时，得陶瓷粉体；
b)将步骤a)所得陶瓷粉体再用湿式球磨法细磨20小时，料球水= 1 1.6 0.5,球磨介质为玛瑙球；烘干后加入7. 5g浓度为8wt. %的PVA水溶液作为粘结剂进行造粒，然后进行陈化M小时、压制成型、在850°C下排塑，得陶瓷坯体；
c)将步骤b)所得的陶瓷坯体放入三重倒置的氧化铝坩埚中，用具有相同组成的陶瓷粉料将坯体覆盖，然后盖上磨口盖子后放入高温炉中进行烧结以低于3°C /min的升温速率升至1160°C，然后保温2小时，随炉冷却，得陶瓷材料；
d)将步骤C)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，采用化学法镀Ni电极；
e)将有电极的样品放在硅油中进行极化在1. 5kV/mm的电场强度、20°C的硅油中极化15分钟，放置M小时，得热释电陶瓷材料。
经检测得知，本实施例所得热释电陶瓷材料的介电常数、为192，介电损耗 tan δ 为 0. 6% ；热释电系数 ρ 为 3. lXl(T8C/cm2*K，电阻率 P 为 6. 2 X IO13 Ω .cm。
实施例4
a)按照通式(Pb1.005) (M&/3Nb2/3)0.07 (Zra83Sn0.02Ti0.15) 0.9303+ 3 . 75at· % Mn+1. Oat. % Cr+0. 3at. % Fe 称取化学计量比的 Pb3O4 229. 7g、ZrO2 94. 9g、TiO2 11. 2g、 Sn0221. 4g、MnCO3 17. 8g>Fe203 1. 2g、Cr203 0. 8g、Nb205 6. 2g>Mg2 (OH)2CO3 1.7g，再加入 0.3g Al2O3和0.3g SiO2 ；加入去离子水313. 8g，料球水=1 1. 5 0. 7，以玛瑙球为球磨介质进行湿法球磨M小时；烘干，压块，在空气气氛下合成以2°C /min的升温速率升至 830°C，然后保温2小时，得陶瓷粉体；
b)将步骤a)所得陶瓷粉体再用湿式球磨法细磨M小时，料球水= 1 1.6 0.5，球磨介质为玛瑙球；烘干后加入12g浓度为6wt. %的PVA水溶液作为粘结剂进行造粒，然后进行陈化M小时、压制成型、在800°C下排塑，得陶瓷坯体；
c)将步骤b)所得的陶瓷坯体放入三重倒置的氧化铝坩埚中，用具有相同组成的陶瓷粉料将坯体覆盖，然后盖上磨口盖子后放入高温炉中进行烧结以低于3°C /min的升温速率升至1200°C，然后保温2小时，随炉冷却，得陶瓷材料；
d)将步骤c)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，采用化学法镀Ni电极；
e)将有电极的样品放在硅油中进行极化在1. lkV/mm的电场强度、95°C的硅油中极化15分钟，放置M小时，得热释电陶瓷材料。
经检测得知，本实施例所得热释电陶瓷材料的介电常数、为202，介电损耗 tan δ 为 ；热释电系数 ρ 为 2. 8Xl(T8C/cm2*K，电阻率 P 为 3. 7 X IO11 Ω .cm。
综上所述可见本发明的热释电陶瓷材料具有稳定而适中的热释电系数(集中在 3.0Xl(T8C/Cm2XK左右)；具有较低的介电常数(在200左右)，较低的介电损耗(< 1 % )； 具有较大范围内可调的电阻率(在IO11 Ω Mm-IO13Q · cm可调)；可望应用于非制冷红外探测领域。
最后有必要在此指出的是以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种热释电陶瓷材料，其特征在于，具有如下组成通式(Pb1+5) (Mgl73Nb273) z (ZrxSni_x_yTiy) ^z03+w at. % A，其中0 < δ ^ 0. 05,0 < w ^ 10, 0. 75 彡 χ 彡 0. 90，0. 10 ^ y ^ 0. 25，0. 01 彡 ζ 彡 0. 10 ；所述的 A 为 i^e、Cr、Mn 中的任意一种或二种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的热释电陶瓷材料，其特征在于，所述的热释电陶瓷材料具有如下组成通式(Pb1.005) (Mgl73Nb273) ο. 07 (Zr0.83Sn0.02Ti0.15) 0.9303+wat. %A，其中:0. 1 彡 w 彡 5 ；所述的 A 为 Fe、Cr、Mn中的任意一种或二种以上的组合。
3.—种权利要求1所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤a)按化学计量比称取此304、ZrO2,TiO2, SnO2, Nb2O5, Mg2 (OH)2CO3及A的氧化物或碳酸盐，再加入烧结助剂；湿法球磨使混合均勻，烘干后压块，在空气气氛下合成，得陶瓷粉体；b)将步骤a)所得陶瓷粉体进行湿法球磨，烘干后加入粘结剂造粒，然后进行陈化、压制成型、升温排塑，得陶瓷坯体；c)将步骤b)所得陶瓷坯体进行高温烧结，冷却得陶瓷材料；d)将步骤c)所得陶瓷材料加工成所需尺寸的样品，化学法镀Ni电极，清洗，烘干；e)将有电极的样品放在硅油中进行极化。
4.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的烧结助剂为Al2O3与S^2的混合物；所述的烧结助剂的添加总量占PMN-PZST陶瓷质量的0 5wt. %。
5.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤a)中所述的湿法球磨是采用去离子水，玛瑙球做介质，按照物料玛瑙球去离子水=1 (1. 3 1.8) (0. 4 1. 0)的比例混合，球磨20 28小时。
6.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤a)中所述的合成条件是以2°C /min的升温速率升至800 880°C，然后保温1 3小时。
7.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤b)中所述的湿法球磨是采用去离子水，玛瑙球做介质，按照物料玛瑙球去离子水=1 (1. 6 2. 0) (0. 5 0. 7)的比例混合，球磨20 28小时。
8.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤b)中所述的粘结剂为3 9wt. %的聚乙烯醇水溶液；所述粘结剂的加入量占烘干后的陶瓷粉体质量的 5 8wt. %。
9.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤b)中的陈化时间为22 沈小时；排塑温度为750 850°C。
10.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤c)中的高温烧结条件是以低于3°C /min的升温速率升至1160 1300°C，然后保温1 2小时。
11.根据权利要求3所述的热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤e)中的极化条件是在0. 6 2. 5kV/mm的电场强度下、20 120°C的硅油中，极化15 30分钟。
全文摘要
本发明公开了一种热释电陶瓷材料及其制备方法。所述的热释电陶瓷材料具有如下组成通式(Pb1+δ)(Mg1/3Nb2/3)z(ZrxSn1-x-yTiy)1-zO3+w at.％A，其中0＜δ≤0.05，0＜w≤10，0.75≤x≤0.90，0.10≤y≤0.25，0.01≤z≤0.10；所述的A为Fe、Cr、Mn中的任意一种或二种以上的组合。所述的热释电陶瓷材料的制备包括合成陶瓷粉体、制备陶瓷坯体、进行烧结、化学法镀Ni电极、在硅油中进行极化等步骤。本发明的热释电陶瓷材料具有稳定而适中的热释电系数、较低的介电常数、较低的介电损耗、较大范围内可调的电阻率，可望应用于非制冷红外探测领域。
文档编号C04B35/49GK102491751SQ201110398678
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者姚春华, 曹菲, 王根水, 董显林, 郭少波, 陈建和 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所