[发明专利]一种无铅热释电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明属于热释电红外探测技术领域，具体提供了一种无铅热释电陶瓷材料及其制备方法。所述无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：(1‑x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃‑xNa_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅，通过在Na_0.5Bi_0.5TiO₃中引入微量Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅，使得过量的Na⁺、Bi³⁺、Ti⁴⁺进入Na_0.5Bi_0.5TiO₃晶格中，将其晶格从铁电赝立方相畸变为铁电四方相，使其长程有序的铁电畴更稳定，从而将无铅热释电陶瓷的退极化温度从138℃提高到174℃，室温热释电系数从3.56×10^‑4C m^‑2K^‑1提升到5.28×10^‑4C m^‑2K^‑1。

技术领域

本发明属于热释电红外探测技术领域，具体涉及一种无铅热释电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

基于热释电效应的非制冷红外探测器可感应红外辐射的温度从而释放电荷，进而达到红外成像、侦查、报警的目的。同时，因其具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、质量轻、体积小、功耗低等特点，在新一代智能家居领域具有巨大的应用潜力。红外探测器主要由外壳、滤光片、热释电陶瓷敏感元件、场效应管等部分构成，而器件的探测率主要由热释电陶瓷材料的特性决定，因此热释电陶瓷性能的优劣直接影响探测器性能的好坏。

热释电陶瓷的电流表达式如下：

式中i_p为热释电电流，p为热释电系数，A为热释电材料的表面积，dT/dt为温度变化率，即热响应度。由该表达式可知：当热释电陶瓷的电极面积和热响应度保持不变时，热释电效应的强弱主要取决于室温热释电系数(p_room)。此外，为使热释电元件持续稳定工作，热释电陶瓷应在较宽温度范围内保持其铁电畴长程有序使其不退极化，即保持高退极化温度(T_d)。因此，室温热释电系数(p_room)和退极化温度(T_d)是衡量热释电效应的重要指标：p_room越大，热释电效应越强；T_d越高，器件稳定工作的温区越宽。

锆钛酸铅(PZT)热释电陶瓷因具备高室温热释电系数(15×10^-4C m^-2℃^-1)和高退极化温度(T_d150℃)而被广泛应用于热释电红外探测器。然而，有毒的铅基陶瓷对环境和人体的危害极大，因此寻找和探索环境友好的高性能无铅热释电材料刻不容缓。目前无铅热释电铁电陶瓷体系主要包括铌酸锶钡(SBN)基、钛酸钡(BT)基、钛酸铋钠(BNT)基、铌酸钾钠(KNN)基以及铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷等。虽然近年来围绕着无铅铁电材料的热释电效应开展了大量研究，但是仍未突破无铅铁电陶瓷室温热释电系数(p_room)和退极化温度(T_d)相互制约的矛盾。BNT基铁电陶瓷室温热释电系数可达2.50×10^-4C m^-2K^-1同时保持200℃的退极化温度，是目前最具有应用潜能的无铅热释电陶瓷体系。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中无铅铁电陶瓷室温热释电系数和退极化温度相互制约的问题。