一種復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱釋電材料可用于紅外探測(cè)器，紅外測(cè)溫儀和攝像儀等，這些設(shè)備在火焰探測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、非接觸式溫度測(cè)量、醫(yī)療診斷、工業(yè)過程自動(dòng)監(jiān)控、安全警戒等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前使用比較廣泛的熱釋電陶瓷是富鋯型鋯鈦酸鉛(PZT)。然而該材料低溫鐵電菱方相(F1J到高溫鐵電菱方相(Feh)的一級(jí)相變溫度范圍窄(2?3°C)，這不利于其在紅外探測(cè)方面的應(yīng)用。在PZT中加入具有不同相變溫度的陶瓷材料制成復(fù)合體系，可擴(kuò)展此Fm-Frai相變溫度范圍，是提高其熱釋電材料性能的一種有效途徑。鎢鐵酸鉛Pb (ff 1/3Fe2/3)O3(PFff)是一種復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，具有典型的弛豫型鐵電體特性，其介電常數(shù)較大，相轉(zhuǎn)變溫度范圍寬，并具有較低的燒結(jié)溫度(Current Applied Physics 2011, Vol11，S154-S156)。與此效果類似的還有 Pb (Mgl73Nb273) O3 (PMN)和 Pb (Znl73Nb273) O3 (PZN)，這些體系與PZT都可形成連續(xù)固溶體。因此利用少量的第三元及第四元體系與富鋯型二元PZT復(fù)合可制備改性的多元系熱釋電材料，而這些材料可以通過不同組分的調(diào)整獲得一定范圍內(nèi)可調(diào)控的綜合電學(xué)性能，從而可滿足不同熱釋電器件對(duì)性能的不同綜合要求。另外，組成適當(dāng)?shù)亩嘣倘荏w系還可在較寬的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)得到致密的陶瓷。
[0004]然而，目前具有較高熱釋電系數(shù)及電性能可調(diào)的新型四元復(fù)合結(jié)構(gòu)熱釋電陶瓷體系卻很有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明提供的復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料，具有較高的熱釋電系數(shù)和可調(diào)的介電性能，因而在各種熱釋電探測(cè)器中有較好應(yīng)用前景。
[0006]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料及其制備方法，所述材料的化學(xué)通式為:
[0007]Pb {[ (Mel73Nb273) x (Wl73Fe273)卜J y (Zr0.9Ti0.!) ^yI 03_nMe ’ ；
[0008]其中，Me為Mg或Zn中的一種；x、y分別代表摩爾分?jǐn)?shù)，0.125 ^ x ^ 0.875，0.08彡y彡0.11 ;Me’為改性元素，是L1、La或Sb中的一種或多種，其摩爾比范圍為Omol %^ n ^ 5mol % 0
[0009]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種如上述第一方面所述的熱釋電陶瓷材料的制備方法，所述制備方法包括:
[0010]將Fe2O3和WO 3按1:1摩爾比混合球磨，干燥后再煅燒并研磨，制成FeWO 4前驅(qū)體粉料，并將MgO和Nb2O5或者ZnO和Nb 205的其中一組按1:1摩爾比混合球磨，干燥后再煅燒并研磨，制成MgNb2O6或ZnNb 206前驅(qū)體粉料；
[0011 ] 將Pb304、ZrO2, T12, FeTO4前驅(qū)體粉料、MnNb 206或ZnNb 206前驅(qū)體粉料、改性元素Me’的氧化物或鹽按照上述權(quán)利要求1所述的化學(xué)通式的摩爾比稱量，然后混合球磨，得到漿料；
[0012]將所述漿料烘干、過篩后進(jìn)行預(yù)燒，并將所述預(yù)燒得到的塊體再次球磨；
[0013]將再次球磨后得到的漿料烘干得到粉體，在所述粉體中加入聚乙烯醇(PVA)粘結(jié)劑進(jìn)行研磨造粒，陳化放置后過篩，得到粉料；
[0014]將所述粉料壓制成陶瓷坯體；
[0015]將所述陶瓷坯體排膠后置于密閉坩禍中，燒結(jié)成陶瓷體；
[0016]對(duì)所述陶瓷體進(jìn)行打磨、拋光、涂銀電極后，放入油浴中升溫，施加電壓進(jìn)行極化，降溫后即得到所述熱釋電陶瓷材料。
[0017]優(yōu)選的，所述預(yù)燒溫度為750°C?900°C，時(shí)間為1.5?5小時(shí)。
[0018]優(yōu)選的，所述PVA粘接劑具體為:lwt%?6被％的PVA水溶液。
[0019]優(yōu)選的，所述陳化的時(shí)間不超過12小時(shí)。
[0020]優(yōu)選的，所述燒結(jié)的溫度為1000°C?1200°C，時(shí)間為2?5小時(shí)。
[0021 ] 優(yōu)選的，所述極化的溫度為80 °C?120°C，極化的電場(chǎng)強(qiáng)度為3kV/mm?5kV/mm，極化的時(shí)間為10?20分鐘。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的新型四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料Pb{[(Me1/3Nb2/3)X (Wl73Fe273) !-J y (Zr0.9Ti0.^ ^yI 03-nMe?具有較高的熱釋電系數(shù)(λ = 5X10—8 OcnT2.1T1 ?20X1(T8 OcnT2.1T1)，適宜的介電常數(shù)εΓ (100?800)和較低的介電損耗tan δ (0.008?0.030)，且這些性能在較寬范圍內(nèi)可調(diào)，且可在較低的燒結(jié)溫度下得到致密均勻的陶瓷體，因而該材料和其制備方法可應(yīng)用于不同的熱釋電探測(cè)器件。
【附圖說明】
[0023]下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例2提供的復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料的制備方法流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3提供的制備方法在1100°C下燒結(jié)、保溫2.5小時(shí)后所得四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料 Pb {[ (Mgl73Nb273) ο.as (Wv3Fe2Z3) 0.J 0.0s (Zr0.9Ti0.,) 0.92} O3的掃描電鏡(SEM)圖像；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3提供的制備方法在1100°C下燒結(jié)、保溫2.5小時(shí)后所得四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料 Pb {[ (Mgl73Nb273) ο.as (Wv3Fe2Z3) 0.J 0.0s (Zr0.9Ti0.,) 0.92} O3的熱釋電曲線；
[0027]圖4為本發(fā)明實(shí)施例5提供的制備方法在1120°C下燒結(jié)、保溫3小時(shí)后所得四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料 Pb {[ (Znl73Nb273) ο.25 (Wl73Fe273) 0.75] 0.0s (Zr0.9Ti0.^ 0.92} O3的掃描電鏡(SEM)圖像；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例5提供的制備方法在1120°C下燒結(jié)、保溫3小時(shí)后所得復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料 Pb {[ (Znl73Nb273) ο.25 (Wl73Fe273) 0.75]0.08 (Zr0.9Ti0.J 0.92} O3的熱釋電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不意于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030]實(shí)施例1
[0031]本發(fā)明實(shí)施例1提供了一種新型的四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料，其化學(xué)通式為:Pb {[ (Mel73Nb273) x (Wl73Fe273) y (Zr0.9Ti0.^ ^yI 03-nMe?;
[0032]其中，Me為Mg或Zn中的一種；x、y分別代表摩爾分?jǐn)?shù)，0.125 ^ x ^ 0.875，0.08彡y彡0.11 ;Me’為摻入的常用改性元素，可以是L1、La或Sb中的一種或多種，其摩爾比范圍為 Omol % η 5mol %。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例提供的新型四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料Pb{[(Me1/3Nb2/3)X (Wl73Fe273) !-J y (Zr0.9Ti0.^ ^yI 03-nMe?具有較高的熱釋電系數(shù)(λ = 5X10—8 OcnT2.1T1 ?20X1(T8 OcnT2.1T1)，適宜的介電常數(shù)(100?800)和較低的介電損耗(0.008?0.030)，且這些性能在較寬范圍內(nèi)可調(diào)，且可在較低的燒結(jié)溫度下得到致密均勻的陶瓷體，因而該材料可應(yīng)用于不同的熱釋電探測(cè)器件。
[0034]實(shí)施例2
[0035]本實(shí)施例提供了上述實(shí)施例1中的熱釋電陶瓷材料的制備方法，如圖1所示，包括:
[0036]步驟201，將Fe2O3和WO 3按1:1摩爾比混合球磨，干燥后再煅燒并研磨，制成FeWO 4前驅(qū)體粉料，并將MgO和Nb2O5或者ZnO和Nb 205的其中一組按1:1摩爾比混合球磨，干燥后再煅燒并研磨，制成MgNb2O6或ZnNb 206前驅(qū)體粉料；
[0037]步驟202，將 Pb304、ZrO2, T12, FeWO4前驅(qū)體粉料、MnNb 206或 ZnNb 206前驅(qū)體粉料、改性元素Me ’的氧化物或鹽按照化學(xué)通式Pb {[ (Mel73Nb273) x (ff1/3Fe2/3) y (Zr0.9Ti0.^ ^yI03-nMe?的摩爾比稱量，然后混合球磨，得到漿料；
[0038]其中，Me為Mg或Zn中的一種；x、y分別代表摩爾分?jǐn)?shù)，0.125 ^ x ^ 0.875，0.08彡y彡0.11 ;Me’為改性元素，是L1、La或Sb中的一種或多種，其摩爾比范圍為Omol %^ n ^ 5mol % 0
[0039]步驟203，將所述漿料烘干、過篩后進(jìn)行預(yù)燒，并將所述預(yù)燒得到的塊體再次球磨；
[0040]具體的，所述預(yù)燒溫度為750°C?900°C，時(shí)間為1.5?5小時(shí)。
[0041]步驟204，將再次球磨后得到的漿料烘干得到粉體，在所述粉體中加入聚乙烯醇(PVA)粘結(jié)劑進(jìn)行研磨造粒，陳化放置后過篩，得到粉料；
[0042]具體的，所述PVA粘接劑具體為:Iwt %?6wt %的PVA水溶液，并且所述陳化的時(shí)間不超過12小時(shí)。
[0043]步驟205，將所述粉料壓制成陶瓷坯體；
[0044]步驟206，將所述陶瓷坯體排膠后置于密閉坩禍中，燒結(jié)成陶瓷體；
[0045]具體的，燒結(jié)溫度可以優(yōu)選為1000°C?1200°C，燒結(jié)的時(shí)間優(yōu)選為2?5小時(shí)。
[0046]步驟207，對(duì)所述陶瓷體進(jìn)行打磨、拋光、涂銀電極后，放入油浴中升溫，施加電壓進(jìn)行極化，降溫后即得到所述熱釋電陶瓷材料。
[0047]具體的，極化過程包括:
[0048]在80°C?120°C的娃油中，將所述陶瓷體在3kV/mm?5kV/mm的極化電場(chǎng)強(qiáng)度下極化10?20分鐘。
[0049]本實(shí)施例提供的新型四元復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料的制備方法，能夠用于制備上述實(shí)施例1中所述的復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料。制備得到的材料具有較高的熱釋電系數(shù)(λ = 5Χ 1(T8 C.cnT2.IT1 ?20 X 10 C.cnT2.Γ1)，適宜的介電常數(shù)(100 ?800)和較低的介電損耗(0.008?0.030)，且這些性能在較寬范圍內(nèi)可調(diào)，且可在較低的燒結(jié)溫度下得到致密均勻的陶瓷體，因而該材料和其制備方法可應(yīng)用于不同的熱釋電探測(cè)器件。
[0050]為更好的理解本發(fā)明提供的技術(shù)方案，下述以多個(gè)具體實(shí)例分別說明應(yīng)用本發(fā)明上述實(shí)施例提供的制備方法制備復(fù)合體系熱釋電陶瓷材料的具體過程，及其性能。
[0051]實(shí)施例3
[0052]將MgO和Nb2O5按1:1摩爾比混合球磨，干燥后再煅燒并研磨，制成MgNb 206前驅(qū)體粉料；將Fe