專利名稱:寬溫區(qū)相變型熱釋電陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種相變溫度范圍大于10℃熱釋電陶瓷材料的制備方法,更確切地說,涉及通過組份復(fù)合的方法,擴展FRL--FRH相變溫度范圍從而獲得高熱釋電系數(shù)陶瓷材料的方法,屬于熱釋電陶瓷領(lǐng)域。
熱釋電陶瓷是一類經(jīng)人工極化處理后,具有非零的宏觀極化強度的多晶固體。因為只有鐵電陶瓷才能通過極化處理而產(chǎn)生剩余極化強度,所以熱釋電陶瓷實際上是經(jīng)人工極化處理后的鐵電陶瓷。
熱釋電效應(yīng)可直接用于紅外探測和熱-電能量轉(zhuǎn)換。熱釋電陶瓷材料具有成本低廉的優(yōu)勢,在防火、防盜、燈開關(guān)、玩具等方面具有極大的市場價值。通常使用的熱釋電材料是利用其線性的熱釋電效應(yīng),熱釋電系數(shù)大約在4×10-8C/Kcm2左右,一些材料及其性能列表1。
表1熱釋電材料及其性能
利用FRL--FRH相變的非線性熱釋電效應(yīng)可以獲得更高的熱釋電系數(shù),但是單相材料的相變溫度寬度僅2℃左右,并有熱滯,在使用上受到諸多限制。如何使相變溫度范圍從單相材料的2℃擴展到10℃以上而具有的熱釋電系數(shù)為線性時的2倍并相應(yīng)減少熱滯影響,從而大幅度提高紅外探測器的探測率,有望應(yīng)用于更先進得多元或焦平面紅外熱像儀中。
本發(fā)明人孫大志等人曾發(fā)表文章,通過多個單元組份復(fù)合的方法可制得相變溫度范圍大于10℃的熱釋電陶瓷材料。他們使用的工藝方法是選用三個同一組份(系統(tǒng))不同量改性添加物組份為三個單元組份。沿厚度方向分層置于模具中干壓成型,燒結(jié)再被銀極化。他們選用的三個單元組份為Pb(Zr0.97Ti0.03)+0.9wt%Nb2O5、Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.0wt%Nb2O5和Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.1wt%Nb2O5,可得到30-46℃之間熱釋電系數(shù)P為1.4×10-7C/Kcm2的高熱釋電系數(shù)材料。
本發(fā)明的目的在于提供一種相變溫度范圍大于10℃的熱釋電陶瓷材料的制備方法,使在大于10℃溫度范圍內(nèi),熱釋電系數(shù)為傳統(tǒng)利用線性熱釋電效應(yīng)制成的材料2倍而且熱滯性減少。
具體地說,本發(fā)明制備方法包括1.單元組份選擇在本發(fā)明人先前工作基礎(chǔ)上單元組份選用不同組份系統(tǒng)(Pb(Zr1-xTix)O3+ywt%Nb2O5,其中x=0.03~0.10,y=0.8~1.9),或者是同一組份(Zr/Ti比一定)不同量和不同種的改性添加物,從而使相變溫度擴展到10℃以上。例如改性鋯鈦酸鉛鐵電陶瓷,作為改性用的添加物Nb2O5添加量固定,而改變Zr和Ti的比例含量;又如固定鋯鈦酸鉛中Zr和Ti的比例而采用不同量或不同種的改性添加物(如Nb2O5(0.8~1.9)wt%、SbO2、MgO),使單元組份的相變溫度不相同。
2.將不同相變溫度的單元組份,按
圖1所示1、2、3并行排列,從理論上,不同相變溫度的單元組份排列數(shù)可以是幾個,但實際應(yīng)用以2~4個為宜,通常為三個單元組份,如圖1所示,在模具中先按放二片隔離片,將單元組份的粉料填入相應(yīng)區(qū)域,抽去隔離片加壓成型、燒結(jié)。選擇合適的燒結(jié)溫度,使各組份之間擴散僅限于界面上。通常燒結(jié)溫度1340℃,保溫2小時3.燒結(jié)后試樣經(jīng)切割在兩主平面上焙燒銀電極,在硅油中100℃以2kv/mm電場強度極化10分鐘。
本發(fā)明的特點是1.制備方法中除成型過程,模具中采用隔離片,分割組份,隔離片數(shù)為組分數(shù)n-1外,其余均為一般陶瓷工藝;2.用本方法制備的高熱釋電系數(shù)陶瓷材料,其熱釋電系數(shù)在超過10℃的溫度范圍內(nèi)(如34℃~46℃,45℃~56℃,38℃~49℃或38~52℃)達9.2×10-8C/Kcm2以上,比一般傳統(tǒng)的熱釋電陶瓷材料高50%以上,比經(jīng)過改性的熱釋電陶瓷也高24%以上。
下面結(jié)合實施例的描述,進一步表明發(fā)明的實施方式和效果。例1不同F(xiàn)RL--FRH相變溫度的單元組份是不同組份圖1中1、2、3單元組份,分別選擇為Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.96Ti0.04)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.95Ti0.05)O3+1.0wt%Nb2O5。在模具中先安置二塊隔離片,將粉料填入相應(yīng)區(qū)域,加壓成型(壓力為1500kg/cm2),在1340℃燒結(jié)2小時,經(jīng)切割于硅油中100℃,以2kv/mm電場強度極化10分鐘被銀極化,可獲得38~49℃溫度范圍內(nèi)熱釋電系數(shù)P=11.8×10-8C/Kcm2的熱釋電陶瓷材料。例2不同F(xiàn)RL--FRH相變溫度的單元組份是同一組份(系統(tǒng))不同改性添加物分別選擇單元組份為Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.2wt%Nb2O5、Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.0wt%SbO2和Pb(Zr0.97Ti0.03)+0.7wt%MgO,其工藝方法同實施例1,可得到在45℃~56℃溫度范圍內(nèi),熱釋電系數(shù)為9.2×10-8C/Kcm2的熱釋電陶瓷材料。例3不同F(xiàn)RL--FRH相變溫度的單元組份是同一組份(系統(tǒng))不同量改性添加物分別選擇Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+0.85wt%Nb2O5、Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+0.95wt%Nb2O5、Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+1.05wt%Nb2O5,其工藝方法同實施例1,可得到在34℃~46℃溫度寬度內(nèi)熱釋電系數(shù)P=12.8×10-8C/Kcm2的熱釋電陶瓷材料。例4由例1延伸的4種組份組成的復(fù)合材料由Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.96Ti0.04)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.95Ti0.05)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.945Ti0.055)O3+1.0wt%Nb2O5組成,其工藝方法同實施例1,可得到在38℃~52℃溫度范圍內(nèi)熱釋電系數(shù),為9.4×10-8C/Kcm2的熱釋電陶瓷材料。
權(quán)利要求
1.一類相變溫度大于10℃熱釋電陶瓷材料的制備方法,包括單元組份選擇、成型、燒結(jié)、被銀極化,其特征在于(1)選定的相變溫度不同的單元組份為不同組份(不同Zr/Ti比);系統(tǒng)[Pb(Zr1-xTixO3+ywt%Nb2O5其中x=0.03~0.10,y=0.8~1.9]或同一組份(Zr/Ti比一定)不同改性添加物(如Nb2O5(0.8~1.9)wt%、SbO2、MgO);(2)復(fù)合單元組份數(shù)為2~4個,通常為3個單元組份;(3)單元組份并排排列,每個組份間先用隔離片,隔離片數(shù)為組份數(shù)n-1。將單元組份填入相應(yīng)區(qū)域,抽去隔離片成形,成型壓力為1500kg/cm2;(4)燒結(jié)溫度1340℃,2小時;被銀極化條件硅油中100℃,2KV/mm電場強度,極化10分鐘;
2.按權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于不同相變溫度的單元組份為3個,他們是Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.96Ti0.04)+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.95Ti0.05)+1.0wt%Nb2O5
3.按權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于不同相變溫度的單元組份為3個,他們是Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.2wt%Nb2O5、Pb(Zr0.97Ti0.03)+1.0wt%SbO2、Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+0.7wt%MgO
4.按權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于不同相變溫度的單元組份為4個,他們是Pb(Zr0.97Ti0.03)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.96Ti0.04)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.95Ti0.05)O3+1.0wt%Nb2O5、Pb(Zr0.945Ti0.055)O3+1.0wt%Nb2O全文摘要
本發(fā)明涉及一種相變溫度范圍大于10℃的熱釋電陶瓷材料的制備方法,屬于熱釋電陶瓷領(lǐng)域,制備方法包括(1)單元組分選擇,選用不同組分(不用Zr/Ti比)或者同一組分(Zr/Ti比一定)不同量和不同種的改性添加物;(2)將多個不同相變溫度的單元組分,按圖1所示的1、2、3排列,中間放隔離片;(3)采用普通壓電陶瓷工藝燒結(jié),被銀極化。本發(fā)明具有制備工藝簡單,相變溫度大于10℃而熱釋電系數(shù)較常用線性熱釋電效應(yīng)的高2倍,并比改性的熱釋電材料高24%左右,有望應(yīng)用于更先進的多元或焦平面紅外熱像儀中。
文檔編號H01G9/08GK1202473SQ98110900
公開日1998年12月23日 申請日期1998年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月16日
發(fā)明者孫大志, 林盛衛(wèi), 王永令, 姚春華, 瞿翠鳳, 金綺華 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所