一种高居里温度铌酸锶钡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高居里温度铌酸锶钡热释电陶瓷材料及其制备方法，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料的组成通式为SrxBa1‑xNb2O6，其中0.25≤x≤0.35。本发明专利技术的SBN陶瓷材料是以固相法制备粉末、冷等静压成型等工艺制得SBN坯体，然后将所得SBN坯体放置于模具中，使用ZrO2粉体对SBN坯体进行填充和覆盖，先升温至1100～1150℃后，再以模具的中轴线为热压轴方向线性均匀加压至100～200MPa并同时升温至1200～1300℃，空气气氛下保温保压2～4小时，最后线性卸压随炉冷却降温到室温，得到所述高致密度、高热释电性能的SBN热释电陶瓷，解决了高居里温度SBN组分热释电性能差的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外探测材料领域，具体涉及一种铌酸锶钡热释电陶瓷材料及一种大幅提高材料热释电性能的制备方法。
技术介绍
热释电型非制冷红外探测技术具有无需制冷、响应频谱宽、响应速度快、低成本等特点，成为当前红外探测技术中最引人注目的技术之一。具有热释电性能的铁电陶瓷(也称作热释电陶瓷)是非制冷红外探测技术的关键敏感元材料之一，其工作模式可分为本征热释电模式和介电-热释电模式。本征热释电模式主要利用自发极化随温度的变化，由于居里温度(TC)较高，室温附近温度稳定性非常好，无需温度稳定装置，在实用的单元、多元红外探测器中获得了广泛应用。当陶瓷材料应用于本征热释电模式红外探测器时，要求材料的热释电系数大，介电常数、介电损耗较低，TC较高。目前，作为本征热释电模式工作的陶瓷材料一般都为钙钛矿结构含Pb体系，如锆钛酸铅(PZT)、掺Ca的钛酸铅(PCT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)等，这对于环境保护和人类健康是不利的，无铅热释电陶瓷材料及其器件的研究与开发是一项紧迫而有意义的课题。SBN(SrxBal-xNb206，0.25≤x≤0.75)陶瓷是铌酸锶SrNb2O6和铌酸钡BaNb2O6二元体系中的四方钨青铜型固溶体。在SBN晶胞中，Nb位于氧八面体的内部B位；Sr2+和Ba2+分布在间隙位置Al和A2。由于SBN晶胞中总共有6个Al和A2位置，而Sr和Ba原子只有5个，随机分布在6个A位上，所以SBN属于非填满型钨青铜结构。这种未填满的多间隙特殊结构为改变材料的组分和调节其性能提供了多种可能性。然而，按照传统烧结方法制得的高居里温度SBN组分陶瓷的热释电性不佳，如何引入合适的掺杂离子或者选择合适的烧结工艺，以获得兼具高TC和优异热释电性能的SBN陶瓷，使SBN陶瓷满足热释电型非制冷红外探测器的应用要求，这是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。根据文献调研结果，热释电性能优异的SBN陶瓷一般Sr含量较高，居里温度TC较低，在实际陶瓷加工和使用过程中会出现退极化。如Sr0.5Ba0.5Nb2O6陶瓷室温下热释电系数可达到2.05×10-8C/cm2K，热释电优值因子分别为Fi＝0.976×10-10m/V，Fv＝1.136×10-2m2/C，Fd＝0.533×10-5Pa-1/2，但其居里温度TC仅为84℃(J.Zhang,G.S.Wang,F.Gao,C.L.Mao,F.Cao,andX.L.Dong,CeramicsInternational.39(2),1971(2013).)。实际用于热释电红外探测的陶瓷需要较高TC，则Sr的含量应较低，Sr0.3Ba0.7Nb2O6陶瓷的居里温度TC可达175℃，但其室温下的热释电系数仅为0.01×10-8C/cm2K(Nishiwaki.S,Takahashi.J,andKodaira.K,JournaloftheCeramicSocietyofJapan.103(12),1246(1995))。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有高居里温度SBN铁电陶瓷热释电性能不佳的技术问题，提供了一种大幅提高SBN热释电陶瓷材料热释电性能的制备方法，制备出一种兼具高TC与优异热释电性能的SBN陶瓷，以替代铅基材料，达到绿色环保的目的。一方面，本专利技术提供了一种高居里温度铌酸锶钡热释电陶瓷材料的制备方法，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料的组成通式为SrxBa1-xNb2O6，其中0.25≤x≤0.35；制备方法包括：(1)按化学计量比称取原料SrCO3粉体、BaCO3粉体和Nb2O5粉体，一次球磨(湿式球磨)后在1150～1230℃下煅烧2～4小时，得到SBN固溶体粉末；(2)将所得SBN固溶体粉末二次球磨(第二次湿式球磨)后加入粘结剂，经陈化、过筛、冷等静压成型、排塑后，得到SBN坯体；(3)将所得SBN坯体放置于模具中，使用ZrO2粉体对SBN坯体进行填充和覆盖，先升温至1100～1150℃后，再以模具的中轴线为热压轴方向线性均匀加压至100～200MPa并同时升温至1200～1300℃，空气气氛下保温保压2～4小时，最后线性卸压随炉冷却降温到室温，得到所述SBN热释电陶瓷材料。相对于其它热释电型敏感元材料，SBN陶瓷材料不含铅，介电常数适中，介电损耗较低，是无铅热释电陶瓷材料及其器件领域重要的候选材料。在SBN中，可以采用改变Sr/Ba比例来调节居里温度TC在60～250℃之间连续变化。本专利技术的SBN陶瓷材料是以固相法制备粉末、冷等静压成型等工艺制得SBN坯体；将SBN坯体放置于石墨模具中，以ZrO2粉填充在坯体周围并完全覆盖住坯体，在空气气氛下沿热压轴方向加压烧结，即制得所述SBN热释电陶瓷材料。采用该方法制备的SBN热释电陶瓷晶粒更致密，热释电系数得到大幅提升，居里温度较高，同时其烧结温度降低至1200～1300℃，有望应用于非致冷红外探测器中。较佳地，所述一次球磨或/和二次球磨的球磨介质为钢球、锆球或玛瑙球中的一种，溶剂为无水乙醇。又，较佳地，所述原料或SBN固溶体粉末与球磨介质和无水乙醇的质量比＝1:(1.5～2.0)：(0.6～1.0)。较佳地，步骤(2)中所述排塑为在750～850℃下保温1.5～2.5小时。较佳地，步骤(3)中所述升温的速率为1～3℃/分钟，所述线性卸压的速率为5～10MPa/分钟。另一方面，本专利技术还提供了一种高居里温度铌酸锶钡热释电陶瓷材料，其特征在于，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料的居里温度＞160℃，且热释电性能在垂直于热压轴的方向以及平行于热压轴的方向具有各向异性。较佳地，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料垂直于热压轴方向的的热释电系数为0.7～1.3×10-8C/cm2K、热释电电流响应优值因子为0.3～0.7×10-10m/V、电压响应优值因子为0.6～1.2×10-2m2/C、探测率优值因子为0.2～0.5×10-5Pa-1/2；所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料平行于热压轴方向的的热释电系数为1.2～2.6×10-8C/cm2K、热释电电流响应优值因子为0.5～1.3×10-10m/V、电压响应优值因子为1.2～2.1×10-2m2/C、探测率优值因子为0.4～0.8×10-5Pa-1/2。本专利技术针对SBN热释电陶瓷材料提供了一种大幅度提高材料热释电性能的制备方法，通过空气气氛下热压烧结，降低样品的烧结温度，获得高致密度、高热释电性能的SBN热释电陶瓷，解决了高居里温度SBN组分热释电性能差的问题。采用本专利技术的方法制得的SBN热释电陶瓷介电常数适中，居里温度高(＞160℃)，热释电系数提高了24％～235％，在加压200MPa时，平行于热压轴方向样品的热释电系数达到了2.38×10-8C/cm2K。附图说明图1中(a)和(b)分别为实施例1制得的SBN热释电陶瓷垂直于热压轴及平行于热压轴方向样品的扫描电镜照片，(c)和(d)分别为实施例2制得的SBN热释电陶瓷垂直于热压轴及平行于热压轴方向样品的扫描电镜照片；图2为采用准静态方法测试实施例1和实施例2中制得的SBN释电陶瓷经过极化后其热释电系数随温度的变化曲线图。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，而非限制本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高居里温度铌酸锶钡热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料的组成通式为SrxBa1‑xNb2O6，其中0.25≤x≤0.35；制备方法包括：（1）按化学计量比称取原料SrCO3粉体、BaCO3粉体和Nb2O5粉体，一次球磨后在1150～1230℃下煅烧2～4小时，得到SBN固溶体粉末；（2）将所得SBN固溶体粉末二次球磨后加入粘结剂，经陈化、过筛、冷等静压成型、排塑后，得到SBN坯体；（3）将所得SBN坯体放置于模具中，使用ZrO2粉体对SBN坯体进行填充和覆盖，先升温至1100～1150℃后，再以模具的中轴线为热压轴方向线性均匀加压至100～200MPa并同时升温至1200～1300℃，空气气氛下保温保压2～4小时，最后线性卸压随炉冷却降温到室温，得到所述SBN热释电陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种高居里温度铌酸锶钡热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述铌酸锶钡热释电陶瓷材料的组成通式为SrxBa1-xNb2O6，其中0.25≤x≤0.35；制备方法包括：（1）按化学计量比称取原料SrCO3粉体、BaCO3粉体和Nb2O5粉体，一次球磨后在1150～1230℃下煅烧2～4小时，得到SBN固溶体粉末；（2）将所得SBN固溶体粉末二次球磨后加入粘结剂，经陈化、过筛、冷等静压成型、排塑后，得到SBN坯体；（3）将所得SBN坯体放置于模具中，使用ZrO2粉体对SBN坯体进行填充和覆盖，先升温至1100～1150℃后，再以模具的中轴线为热压轴方向线性均匀加压至100～200MPa并同时升温至1200～1300℃，空气气氛下保温保压2～4小时，最后线性卸压随炉冷却降温到室温，得到所述SBN热释电陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一次球磨或/和二次球磨的球磨介质为钢球、锆球或玛瑙球中的一种，溶剂为无水乙醇。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述原料或SBN固溶体粉末与球磨介质和无水乙醇的质量比=1:（1.5～2.0）：（0.6～1.0）。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯中的至少一种。5.根据权利要求4所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王根水，陈慧，郭少波，姚春华，曹菲，董显林，
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