一種提高熱釋電性能的材料后處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高壓電材料熱釋電性能的材料后處理方法，屬于熱釋電應(yīng)用領(lǐng)域；通過交流電場(chǎng)老化和加應(yīng)力熱處理對(duì)壓電材料進(jìn)行預(yù)處理，再采用通常的直流極化工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行極化，可以提高壓電材料的熱釋電性能20-30%，有望在熱釋電探測(cè)器生產(chǎn)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
【專利說明】一種提高熱釋電性能的材料后處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高壓電材料熱釋電性能的材料后處理方法，屬于熱釋電應(yīng)用領(lǐng)域；通過交流電場(chǎng)老化和加應(yīng)力熱處理對(duì)壓電材料進(jìn)行預(yù)處理，再采用通常的直流極化工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行極化，可以提高壓電材料的熱釋電性能20-30%，有望在熱釋電探測(cè)器生
產(chǎn)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來，美國(guó)軍方使用的紅外焦平面列陣器件的夜視(成像)功能，驚動(dòng)了國(guó)際紅外科學(xué)界，引發(fā)了全球范圍紅外探測(cè)器件研制的迅猛發(fā)展。
[0003]熱釋電材料是熱釋電探測(cè)器的核心元件，它的性能優(yōu)劣直接決定紅外探測(cè)的效果，目前應(yīng)用的熱釋電材料主要有鉭酸鋰(LT)、硫酸三甘氨酸(TGS)和鈮鐵鋯酸鉛(PZFN)等陶瓷材料。
[0004]近年來，方必軍等發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的(l_x) Pb (Zn1/3Nb2/3)O3-XPbT13 (PZNT) 單晶(Bijun Fang, et al., Growth and pyroelectric propertiesof [001] -oriented (l_x) Pb (Zn1/3Nb2/3) 03_xPbTi03 single crystals, App1.Phys.Lett., 2007， 91(6): 062902/1-3)、反應(yīng)燒結(jié)法制備的 0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03(0.8PMN-0.2PT)陶瓷(Bijun Fang, et al., Large pyroelectric response of0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03 ceramics prepared by react1n-sintering method, Mater.Lett., 2012，84: 91-93)具有較大的熱釋電系數(shù)和較高的熱電探測(cè)優(yōu)值，介電、熱物理和力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適用于制作熱釋電探測(cè)器，有望在非制冷紅外探測(cè)和成像器件方面獲得應(yīng)用。
[0005]壓電陶瓷和壓電單晶需要進(jìn)行直流極化處理才能呈現(xiàn)熱釋電性能，通常的直流極化工藝是在室溫或者一定溫度條件下、施加一定大小的直流電場(chǎng)極化一定的時(shí)間，壓電材料本身不需要進(jìn)行額外的處理，眾所周知，除了開發(fā)綜合性能優(yōu)異的新型熱釋電材料之外，探索新的材料后處理工藝和極化工藝，是提高現(xiàn)有壓電材料熱釋電性能的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明選擇的壓電材料是改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PZNT單晶和反應(yīng)燒結(jié)法制備的PMNT陶瓷，分別施加交流電場(chǎng)老化和加應(yīng)力熱處理進(jìn)行材料后處理，然后以文獻(xiàn)報(bào)道的條件進(jìn)行直流極化處理，采用電荷積分法測(cè)量壓電材料的熱釋電系數(shù)；結(jié)果表明，通過本發(fā)明提出的材料后處理工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行通常的直流極化處理，可以提高壓電材料的熱釋電性能20-30%，有望在熱釋電探測(cè)器生產(chǎn)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的主要內(nèi)容包括:
通過電滯回線測(cè)量得到壓電材料的矯頑場(chǎng)，在低頻、弱電場(chǎng)下進(jìn)行交流電場(chǎng)老化處理。
[0008]所述的低頻指IkHz以下，優(yōu)選為1Ηz-250Ηζ。
[0009]所述弱電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為壓電材料矯頑場(chǎng)的20_50%。[0010]所述老化處理的時(shí)間為15周期以上，出于效率和老化效果的綜合考慮，優(yōu)選為15-1O7 周期。
[0011 ] 所述壓電材料指PZNT單晶和PMNT陶瓷。
[0012]通過介電溫譜測(cè)量得到壓電材料的Ttl或Tm溫度，Ttl為正常鐵電體的居里-外斯溫度，Tm為弛豫鐵電體的介電常數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的溫度，施加50MPa壓應(yīng)力、在Ttl或Tm溫度熱處理 2-4h。
[0013]預(yù)處理之后的壓電材料，采用通常的直流極化工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行極化。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1:
改進(jìn)的 Bridgman 法生長(zhǎng)的 PZNT95/5、PZNT91/9、PZNT85/15 單晶[001]晶片分別施加 200V/mm、150V/mm、450V/mm 電場(chǎng)(改進(jìn)的 fcidgman 法生長(zhǎng)的 PZNT95/5、PZNT91/9、PZNT85/15 單晶[001]晶片的矯頑場(chǎng) E。分別為 742V/mm、704V/mm、1240V/mm) (BijunFang, et al., Successive change of phase transit1n character in lead zinc n1batetitanate single crystals, Journal of the Physical Society of Japan, 2004, 73(4):1090-1091.)，在250Hz頻率下進(jìn)行交流電場(chǎng)老化處理15周期；交流電場(chǎng)老化處理后的PZNT單晶施加50MPa壓應(yīng)力、分別在150°C、185°C、215°C熱處理2h ;通過本發(fā)明提出的材料后處理工藝預(yù)處理后的PZNT單晶，采用文獻(xiàn)報(bào)道的條件進(jìn)行直流極化處理:80°C硅油浴中、施加2kV/_直流電場(chǎng)極化15min,電場(chǎng)減半的條件下冷卻至室溫。
[0015]實(shí)施例2:
反應(yīng)燒結(jié)法制備的0.8PMN-0.2PT陶瓷施加150V/mm電場(chǎng)(反應(yīng)燒結(jié)法制備的
0.8PMN-0.2PT 陶瓷的 Ec=316V/mm)(Bi jun Fang, et al., Large pyroelectric response of
0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03 ceramics prepared by react1n-sintering method, Mater.Lett.，2012，84: 91-93)，在25Hz頻率下進(jìn)行交流電場(chǎng)老化處理16周期；交流電場(chǎng)老化處理后的0.8PMN-0.2PT陶瓷施加50MPa壓應(yīng)力、在85°C熱處理4h ;通過本發(fā)明提出的材料后處理工藝預(yù)處理后的0.8PMN-0.2PT陶瓷，采用文獻(xiàn)報(bào)道的條件進(jìn)行直流極化處理:120°C硅油浴中、施加2kV/_直流電場(chǎng)極化15min,電場(chǎng)減半的條件下冷卻至室溫。
[0016]通過電荷積分法、利用計(jì)算機(jī)控制的PY2熱釋電測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PZNT單晶、反應(yīng)燒結(jié)法制備的PMNT陶瓷的熱釋電系數(shù)，溫度測(cè)定精度0.01°C，電荷測(cè)定精度10_nC。
[0017]表1給出改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PZNT單晶、反應(yīng)燒結(jié)法制備的PMNT陶瓷與熱釋電應(yīng)用相關(guān)的性能指標(biāo)；可以看出，通過本發(fā)明提出的材料后處理工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行預(yù)處理，再采用通常的直流極化工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行極化，壓電單晶和壓電陶瓷的介電常數(shù)、介電損耗有所降低，熱釋電系數(shù)提高20-30%。
[0018]熱釋電材料的性能好壞通常用電流響應(yīng)優(yōu)值電壓響應(yīng)優(yōu)值Z7v=P/ (Cy
)、探測(cè)優(yōu)值巧^/[^；( tan )1/2]來評(píng)價(jià)，其中/7為熱釋電系數(shù)，Cv為體積比熱(J/m3.K)，= 8.854 ^ 10_12 F/m為真空電容率，Sr為相對(duì)介電常數(shù)。本發(fā)明提出的材料后處理工藝使得極化后的壓電材料的介電常數(shù)和介電損耗降低、熱釋電系數(shù)提高(表1)，有利于提高壓電材料的熱電響應(yīng)優(yōu)值；表2給出通過上述公式計(jì)算的改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PZNT單晶、反應(yīng)燒結(jié)法制備的PMNT陶瓷的熱電響應(yīng)優(yōu)值；可以看出，本發(fā)明提出的材料后處理工藝改善了熱釋電材料的綜合性能，有望在熱釋電探測(cè)器生產(chǎn)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
[0019]表 I
【權(quán)利要求】
1.一種提高熱釋電性能的材料后處理方法，能夠提高壓電材料的熱釋電性能20-30%，并且熱釋電性能的時(shí)間穩(wěn)定性得到改善，其特征在于:包括以下步驟: (1)在低頻交流弱電場(chǎng)下、對(duì)壓電材料進(jìn)行交流電場(chǎng)老化處理，消除空間電荷缺陷； (2)施加50MPa夾持力、在壓電材料Ttl或Tm溫度熱處理2_4h，消除交流電場(chǎng)老化引入的應(yīng)力，改善鐵電疇的極化性能； (3 )采用通常的直流極化工藝對(duì)壓電材料進(jìn)行直流極化處理。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高熱釋電性能的材料后處理方法，其特征在于:所述的低頻指IkHz以下，優(yōu)選為1Ηz-250Ηζ。
3.如權(quán)利要求1所述的一種提高熱釋電性能的材料后處理方法，其特征在于:所述弱電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為壓電材料矯頑場(chǎng)的20-50%。
4.如權(quán)利要求1所述的一種提高熱釋電性能的材料后處理方法，其特征在于:所述老化處理的時(shí)間為15周期以上，出于效率和老化效果的綜合考慮，優(yōu)選為15-1O7周期。
5.如權(quán)利要求1所述的一種提高熱釋電性能的材料后處理方法，其特征在于:所述壓電材料指PZNT單晶和PMNT 陶瓷。
【文檔編號(hào)】C30B33/00GK104030728SQ201410275895
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】方必軍, 劉星, 陳智慧, 丁建寧 申請(qǐng)人:常州大學(xué)