一种BNT基无铅热释电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种BNT基无铅热释电陶瓷材料及其制备方法，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：(1‑x)(0.98Bi0.5Na0.5Ti1‑yMnyO3‑0.02BiAlO3)‑xNaNbO3，其中，0≤x≤0.04，0≤y≤0.01。

A BNT based lead-free pyroelectric ceramic material and its preparation method

The present invention relates to a BNT based lead-free thermoluminescence ceramic material and a preparation method. The chemical composition of the BNT based lead-free thermoluminescence ceramic material is: (1 x) (0.98Bi0.5Na0.5Ti1 yMnyO3 0.02BiAlO3) xNaNbO3, in which 0 less than x is less than 0.04, 0 less than y < 0.01.

【技术实现步骤摘要】
一种BNT基无铅热释电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种BNT基无铅热释电陶瓷材料及其制备方法，属于功能材料领域。
技术介绍
热释电材料因具有随着温度变化可产生电荷的效应，被广泛应用于红外探测技术、热传感器、能量回收等领域。其中，热释电材料作为红外探测器的核心元件，其工作模式主要有两种：本征模式和介电模式。本征热释电模式是指利用自发极化随温度的变化产生电荷，工作温度远离相变点，因此材料需兼具优异热释电性能及高的相变温度；介电模式主要利用的是介电常数随电场的变化而产生的感应热释电效应，工作时需要加载偏压。因此，本征型热释电材料因温度稳定性好、无需温度稳定装置、无需加载偏压等优点，在实用的单元、多元红外探测器中获得了广泛应用。目前，应用的本征热释电材料主要是Pb(Zr,Ti)O3、(PZT)、Pb(Sc,Ta)O3、Pb(Mg,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3等含铅体系，这对于环境保护和人类可持续发展是不利的，无铅化是热释电材料研究和应用的必然趋势。近些年来，许多无铅材料体系的热释电性能及其潜在应用得到了研究人员的关注，包括SrBaNb2O6、K0.5Na0.5NbO3、BaTiO3、Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)等体系。大部分工作主要集中在提高体系的热释电性能，掺杂改性是优化材料的热释电性能最常用的手段。在具有乌青铜结构的SrBaNb2O6中掺入钙元素可将热释电系数从0.71×10-8Ccm-2K-1提高至1.30×10-8Ccm-2K-1(JournalofAlloysandCompounds,695,2723(2017))。0.97K0.5Na0.5NbO3-0.03(Bi0.5K0.5)TiO3陶瓷通过锰掺杂，热释电性能得到显著提高(JournalofAlloysandCompounds,506,323(2010))。另外，相界调控也是获得高的热释电值的有效途径，Srikanthetal.发现将(Ba0.9Ca0.1)TiO3-xBa(Sn0.2Ti0.8)O3体系的正方-四方相界提高至室温，可以获得较高的热释电系数(p＝2.05×10-8Ccm-2K-1)(ScriptaMaterialia,146,146(2018))。Guoetal.在Bi0.5Na0.5TiO3-0.7Ba(Zr0.055Ti0.945)O3体系的准同型相界处获得了高的热释电系数～5.7×10-8Ccm-2K-1，但降低了材料的退极化温度Td(～85℃)，温度稳定性差(AppliedPhysicsLetters,103,182906(2013))。尽管无铅材料在热释电方面获得了很大的进展，但性能仍然无法与含铅PZT材料媲美。因此需要进一步优化其性能，获得兼具优异热释电性能及温度稳定性好的无铅热释电材料。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种获得兼具优异热释电性能及温度稳定性好的BNT基无铅热释电陶瓷材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种BNT基无铅热释电陶瓷材料，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：(1-x)(0.98Bi0.5Na0.5Ti1-yMnyO3-0.02BiAlO3)-xNaNbO3，其中，0≤x≤0.04，0≤y≤0.01。本专利技术通过调整钛酸铋钠-铝酸铋-铌酸钠(BNT-BA-NN)的组分，同时采用锰元素掺杂改性，获得具有高热释电性能和高退极化温度的BNT基无铅热释电陶瓷材料，可望应用于非制冷红外热释电探测领域。本专利技术选择铁电性能高的BNT-BA作为基体材料，存在较强的热释电效应。掺杂Mn元素可以进一步增强其铁电性能、提高退极化温度，同时降低陶瓷的介电常数及损耗。而固溶第三组元NaNbO3可以增加材料中弛豫相的含量，降低极化后铁电畴的稳定性，获得更大的热释电效应。因此，该组分的陶瓷兼具高的热释电性能和优异的温度稳定性，可望应用于非制冷红外热释电探测领域。较佳地，0＜x≤0.03，且0＜y＜0.01。较佳地，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料在25℃和1kHz的测试频率下的相对介电常数为300～460、介电损耗＜0.03。较佳地，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的热释电系数为(3.87～8.41)×10-8Ccm-2K-1、热释电电流响应优值因子为(1.38～3.00)×10-10mV-1、热释电电压响应优值因子为(4.71～8.07)×10-2m2C-1、探测率优值因子为(2.33～4.28)×10-5Pa-1/2。另一方面，本专利技术的目的在于提供一种如上所述的BNT基无铅热释电陶瓷材料的制备方法，包括：将Bi源、Na源、Ti源、Al源、Nb源、Mn源按照所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的化学组成计量比混合，经煅烧，得到陶瓷粉体；将所得陶瓷粉体和粘结剂混合并造粒，再经陈化、成型和排塑，得到陶瓷素坯；将所得陶瓷素坯经过烧结得到所述BNT基无铅热释电陶瓷材料。较佳地，所述Bi源为Bi2O3，所述Na源为NaHCO3，所述Ti源为TiO2，所述Al源为Al2O3，所述Nb源为Nb2O5，所述Mn源为MnCO3。较佳地，所述煅烧的温度为600～1000℃，时间为24小时以下。较佳地，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚苯乙烯和甲基纤维素中的至少一种，加入量为所述陶瓷粉体重量的5～7wt.％；所述陈化的温度为室温(25℃)，时间为22～26小时；所述排塑的温度为650～750℃，时间为1～3小时。优选地，所述排塑的升温速率不高于2℃/分钟。较佳地，所述烧结的温度为1000～1300℃，时间为24小时以下。再一方面，本专利技术还提供了一种热释电陶瓷元件，由上述的BNT基无铅热释电陶瓷材料制成。本专利技术制备的BNT基无铅热释电陶瓷材料的性能优异且具有良好的温度稳定性，可望应用于非制冷红外探测领域。经过极化后的BNT基无铅热释电陶瓷材料在25℃和1kHz的测试频率下相对介电常数为300～460、介电损耗小于0.02。经过极化后的BNT基无铅热释电陶瓷材料的热释电系数为(3.87～8.41)×10-8Ccm-2K-1、热释电电流响应优值因子为(1.38～3.00)×10-10mV-1、热释电电压响应优值因子为(4.71～8.07)×10-2m2C-1、探测率优值因子为(2.33～4.28)×10-5Pa-1/2。在本公开中，BNT基无铅热释电陶瓷材料的退极化温度一般高于90℃，最高可达190℃。当x≤0.03时，BNT基无铅热释电陶瓷材料具有良好的温度稳定性、热释电系数、以及其探测优值因子在20～80℃范围内保持较高的值且稳定。附图说明图1为实施例1-5中经极化处理后采用准静态方法测试的BNT基无铅热释电系数随温度的变化曲线。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术一实施方式，锰掺杂钛酸铋钠-铝酸铋-铌酸钠(BNT-BA-NN)无铅热释电陶瓷材料(BNT基无铅热释电陶瓷材料)具有高热释电性能和高退极化温度，其化学组成为：(1-x)(0.98Bi0.5Na0.5Ti1-yMnyO3-0.02BiAlO3)-xNaNbO3，0≤x≤0.04，0≤y≤0.01，x、y均为摩尔百分比。NaNbO3的加入会导致退极化温度Td的降低，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种BNT基无铅热释电陶瓷材料，其特征在于，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：(1‑x)(0.98Bi0.5Na0.5Ti1‑yMnyO3‑0.02BiAlO3)‑xNaNbO3，其中，0≤x≤0.04，0≤y ≤0.01。

【技术特征摘要】
1.一种BNT基无铅热释电陶瓷材料，其特征在于，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：(1-x)(0.98Bi0.5Na0.5Ti1-yMnyO3-0.02BiAlO3)-xNaNbO3，其中，0≤x≤0.04，0≤y≤0.01。2.根据权利要求1所述的BNT基无铅热释电陶瓷材料，其特征在于，0＜x≤0.03，且0＜y＜0.01。3.根据权利要求1或2所述的BNT基无铅热释电陶瓷材料，其特征在于，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料在25℃和1kHz的测试频率下的相对介电常数为300～460、介电损耗＜0.03。4.根据权利要求1-3中任一项所述的BNT基无铅热释电陶瓷材料，其特征在于，所述BNT基无铅热释电陶瓷材料的热释电系数为（3.87～8.41）×10-8Ccm-2K-1、热释电电流响应优值因子为（1.38～3.00）×10-10mV-1、热释电电压响应优值因子为（4.71～8.07）×10-2m2C-1、探测率优值因子为（2.33～4.28）×10-5Pa-1/2。5.一种如权利要求1-4中任一项所述的BNT基无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：将Bi源、Na源、Ti源...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，彭萍，聂恒昌，王根水，曹菲，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31