[发明专利]热释电晶体颗粒及其用途、复合材料和筛选方法

说明书

本发明涉及一种基于温度调控的热释电颗粒及其用途、复合材料和筛选方法。本发明将晶体材料的颗粒物作为填料制备的聚合物基纳米复合材料，能够在保持晶体材料的高热释电效应的基础上，制备具有一定形状、尺寸要求的大气雾霾颗粒物过滤装置的滤网。由于颗粒物的热释电效应和聚合物基体材料良好的储电功能，使得制备的复合材料能够兼具两者的优势，在实现快速静电吸附的同时保持良好的机械性能、耐损耗性能以及易于成型等优势，展现了其作为过滤材料的应用潜力和前景。

本申请为分案申请，母案申请号为201610523692.7，申请日为2016年7月5日，发明名称为“热释电晶体颗粒及其用途、复合材料和筛选方法”。

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种基于温度调控的热释电颗粒及其用途、复合材料和筛选方法。

背景技术

热释电效应是晶体材料的一种自然物理效应，当晶体温度发生变化(受热或冷却)，正负电荷的中心会发生位移，从而极化强度随着温度的改变而发生变化，导致晶体表面的束缚电荷随之发生变化。对于自发极化的晶体材料，当其被加热或冷却时，温度的变化(△T)会导致自发极化强度变化(△Ps)，从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷，这种现象被称为热释电效应。△P_s＝p△T，其中，△P_s为自发式极化强度的变化量；△T为温度变化；p为热释电系数。与压电晶体一样，晶体存在热释电效应的前提是具有自发极化，即在某个方向上存在着固有电矩。(压电晶体不一定具有热释电效应，而热释电晶体则一定存在压电效应。)

热释电晶体材料一般可以分为两大类。一类为具有自发极化，但其自发极化的方向并不会受外电场作用而翻转的晶体材料；另一种为自发极化的方向可在外电场作用下翻转的晶体材料，即铁电体。由于这类晶体在经过预电极化处理后具有宏观剩余极化，且其剩余极化随温度而变化，从而能释放表面电荷，呈现热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。

常用的热释电材料有单晶(LiNbO₃,LiTaO₃等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVDF、PVF2等)。其中，铌酸锂和钽酸锂是一类典型的热释电无机驻极体材料，铌酸锂和钽酸锂都是无色或者带有黄绿色的透明晶体，有优良的电光、压、电、热释电性能。铌酸锂和钽酸锂的居里温度T_c分别为1210℃和665℃。铌酸锂和钽酸锂晶体都属于三方晶系，3m点群，在T_c以下为铁电相，在T_c以上为顺电相。对处于单畴铁电相的铌酸锂(钽酸锂)晶体施加外电场，当外电场逐渐增加到铌酸锂的矫顽场时，由于有1/3氧八面体的体心空着，Nb⁵⁺和Li⁺开始逐渐向负光轴方向开始移动，最终稳定在氧八面体体心的另一侧，结果铌酸锂的极化方向会发生翻转即畴反转，如图1所示。

由于铌酸锂和钽酸锂良好的热释电效应，且生长晶体材料所需的原材料来源丰富，价格低，性能稳定等优点，可以被直接或作为填充材料制备纤维结构，用于静电吸附大气雾霾颗粒物。考虑到在实际应用过程中，铌酸锂和钽酸锂晶体材料可加工性能差，不能被随意改变形状，因此，可将铌酸锂或钽酸锂材料制备微纳米尺度的粉末，作为聚合物材料的填充颗粒物，制备成具有热释电效应的纳米复合材料，应用于大气细颗粒物的过滤装置中。

利用提拉法生长的铌酸锂和钽酸锂晶体是多畴的，必须对其进行人工极化处理，使晶体各处的自发极化方向相同，从而转变为单畴晶体，这个过程称为单畴化。在单畴化过程中，将生长后的晶体放入极化炉中，接入电极，通过施加一定的外加电压和电流，从而使电矢翻转。单畴化后的铌酸锂和钽酸锂具有良好的热释电效应。然而，不同条件下，颗粒物的热释电效应及其稳定性并不相同。为此，需要改善其热释电效应及其稳定性，以适应应用环境的需要。并且，当其应用于材料领域时，还应当考虑该材料的综合性能，以增强其应用范围。

发明内容