高性能無鉛熱釋電材料的研究與制備

王藝曈　王文靜　常園園　張洋洋

【摘 要】近年來，熱釋電紅外探測器和探測器陣列由于具有非制冷、廣譜響應(yīng)、性價比高等優(yōu)點，已引起紅外技術(shù)的重要變革。本文通過傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了Cu摻雜KNN熱釋電陶瓷，從而找出更高性能的熱釋電材料配方。實驗結(jié)果表明，適量的Cu摻雜可以明顯地提高熱釋電陶瓷的致密度，提高介電常數(shù)，降低介電損耗，增大壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，使熱釋電系數(shù)達(dá)到了最大值，改善了熱釋電陶瓷的性能。

【關(guān)鍵詞】熱釋電材料;摻雜;高性能

中圖分類號： TG42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0073-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.035

Research and Preparation of High Performance Lead-free Pyroelectric Materials

WANG Yi-tong ?WANG Wen-jing，CHANG Yuan-yuan， Zhang Yang-yang

（Department of Mathematics and Science， Huanghe University of Science and Technology， Zhengzhou Henan 450000，China）

【Abstract】In recent years， pyroelectric infrared detector and detector array have caused important changes in infrared technology because of their uncooled， wide-spectrum response， high performance-price ratio and so on. In this paper， Cu doped KNN pyroelectric ceramics were prepared by traditional solid state reaction method， and the formula of higher performance pyroelectric materials was found out. The experimental results show that proper amount of Cu doping can obviously increase the density of pyroelectric ceramics， increase the dielectric constant， reduce the dielectric loss， increase the piezoelectric constant and electromechanical coupling coefficient， and make the pyroelectric coefficient reach the maximum. The properties of pyroelectric ceramics are improved.

【Key words】Pyroelectric materials; Doping; High performance

0 引言

近年來，熱釋電紅外傳感器的需求量逐年增長[1-2]。國外廠家正不斷開發(fā)新產(chǎn)品以滿足未來的市場需求。目前主要開發(fā)多功能多元智能傳感器以及其他種類的產(chǎn)品。熱釋電紅外傳感器在家用電器設(shè)備中的應(yīng)用還將迅速增長。目前市場上的熱釋電探測器、紅外探測器等應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，但它們的核心部件是PZT熱釋電陶瓷[3]，由于PZT熱釋電陶瓷的主要成分是氧化鉛，含鉛量大，不環(huán)保[4]。因此目前正在大力研發(fā)無鉛熱釋電陶瓷，由此可見熱釋電傳感器的無鉛化是最終的發(fā)展方向[5]。

本文主要是從KNN基低損耗熱釋電材料的制備，工藝流程的設(shè)計研究，分析Cu摻雜可能對KNN熱釋電性能的影響，從而得到最佳的熱釋電材料。

1 實驗

1.1 樣品制備

根據(jù)原始配方，使用K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Li2CO3、Sb2O3、CuO為原料，按照0.95（K0.45Na0.55）NbO3-0.05LiSbO3+X%CuO（x=0、0.3、0.6、0.9）進(jìn)行配料，用鋯球加酒精球磨4h，烘干后取得粉體在850℃預(yù)燒6個小時，粉碎后再球磨4h，過篩后加入去離子水，造粒，干壓成型，需要在100℃至120℃之間保持一段時間，進(jìn)行排膠，在1070℃-1090℃范圍內(nèi)燒結(jié)數(shù)小時得到陶瓷樣品。燒結(jié)出的陶瓷經(jīng)過拋光、鍍銀，在550℃燒成電極。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 Cu摻雜量對密度的影響

由圖1密度與Cu摻雜量的關(guān)系中可以看出，摻雜Cu含量的增加，可以使密度隨著含量的變化，在摻雜Cu含量為0.6%時，密度達(dá)到一個最大值為4.6g/cm3。說明這時候的摻雜含量能使熱釋電陶瓷致密性比較好[3]。所以密度值比較高。

2.2 Cu摻雜對介電損耗和介電常數(shù)的影響

介電常數(shù)隨著銅含量的不斷增加，介電常數(shù)在摻雜Cu為0.6%時有一個最大值1090;介電損耗隨著銅含量的不斷增加，在摻雜Cu含量為0.6%一個最小值0.015。由于“釘扎效應(yīng)”，導(dǎo)致了疇壁內(nèi)部的運(yùn)動減少，從而減少了內(nèi)部的損耗，降低了介電損耗，增加了介電常數(shù)。

2.3 Cu摻雜對壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的影響

從圖2和圖3中可以看出中可以看出，隨著Cu摻雜的不斷增加，當(dāng)Cu摻雜達(dá)到0.003之前，上升的這個速率時很快的，在Cu摻雜的含量為0.6%時，壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)都有一個最大值，此時壓電常數(shù)d33=203pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp為0.41。在進(jìn)行極化的時候，極化電疇數(shù)目減少，所以會導(dǎo)致壓電常數(shù)減小。因此少量的Cu摻雜可以改善壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的性能。

2.4 Cu摻雜對熱釋電系數(shù)的影響

熱釋電系數(shù)與Cu摻雜量的關(guān)系，熱釋電系數(shù)隨著Cu摻雜含量的增加，在摻雜量為0.6%時，熱釋電系數(shù)有一個最大值，最大值為3.410-8C/cm2K。說明適量的Cu摻雜可以影響熱釋電陶瓷的極化程度，能提高熱釋電的極化強(qiáng)度，進(jìn)而提高熱釋電系數(shù)，過少或者過多的Cu摻雜對熱釋電系數(shù)的影響并不大。

3 結(jié)語

本文通過傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了Cu摻雜KNN熱釋電陶瓷，當(dāng)Cu摻雜摩爾量為0.6%時，其密度達(dá)到4.6g/cm3，介電常數(shù)為1090，介電損耗為0.015，壓電常數(shù)為d33=203pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp為0.41，熱釋電系數(shù)為3.410-8C/cm2K。實驗結(jié)果表明，適量的Cu摻雜可以明顯地提高熱釋電陶瓷的致密度，提高介電常數(shù)，降低介電損耗，增大壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，使熱釋電系數(shù)達(dá)到了最大值，改善了熱釋電陶瓷的性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫華，李揚(yáng).熱釋電紅外傳感器原理及其應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2010，31（12）：116+160.

[2]杜永平.淺談紅外傳感器的應(yīng)用[J].中國科技信息，2013，（18）：131.

[3]郭少波.紅外探測用PZT熱釋電陶瓷材料研究進(jìn)展[A]. 上海市紅外與遙感學(xué)會.2015年紅外、遙感技術(shù)與應(yīng)用研討會暨交叉學(xué)科論壇論文集[C].上海市紅外與遙感學(xué)會：上海市紅外與遙感學(xué)會，2015：6.

[4]彭強(qiáng)祥.PZT厚膜熱釋電材料及非制冷紅外器件技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2014.

[5]俞玉澄.KNN/P（VDF-TrFE）熱釋電復(fù)合材料與四元紅外氣體傳感器研究[D].電子科技大學(xué)，2016.