CN117658619A - 高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热释电红外探测技术领域，具体提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，所述无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：0.99BixNayTiO3‑0.01BaTiO3；其中x、y为摩尔百分比，且x/y＝(0.4‑0.5)/(0.5‑0.6)。通过在BixNayTiO3中加入少量的BaTiO3并调整Na和Bi的含量，少量的Ba2+引入使其晶格形成稳定的R3c菱方相结构，Bi3+、Na+离子挥发形成缺陷导致材料的电导率提升，从而使其更容易极化，进而使材料在退极化温度变化不大的情况下室温热释电系数得到很大提升。
Description
技术领域
本发明属于热释电红外探测，具体涉及一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术
热释电效应是指材料受到温度变化产生电荷分离的现象，由于电荷分离，材料的两侧产生电势差，从而产生电压。这种热释电材料广泛应用于非制冷红外探测器中，基于热释电效应的非制冷红外探测器具有响应快、信号滞后小、感应灵敏度高、接收频谱宽、识别性好等优点，不仅在红外成像、夜视设备、消防安防等方面有着广泛的应用，同时在新一代智能家居领域有着巨大的应用潜力。
热释电材料作为非制冷红外探测器的核心敏感元件，是决定红外探测器性能优劣的关键。因此，研究和开发性能优异的热释电材料具有重要意义。常见的商用热释电敏感元件主要是锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PT)等铅基材料，然而铅基材料在生产过程中和报废后极易引起铅污染，危害人类健康并违背可持续发展理念。因此，寻找可取代铅基材料的无铅热释电敏感元件刻不容缓。
目前无铅热释电材料主要有铌酸锶钡(SBN)、钛酸钡(BT)、钛酸铋钠(BNT)、铌酸钾钠(KNN)以及铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷等，其中KNN和BLSF陶瓷虽具有较高的退极化温度，但其室温热释电系数低，而SBN、BT、BNT具有较高的室温热释电系数，但是其退极化较低，限制它们的实际应用；并且SBN、BT的居里温度低于150oC，导致其退极化温度难以提升。而应用于新一代智能家居领域的非制冷红外探测器须与贴片封装的回流焊工艺相兼容，从而实现器件的小型化和集成化。
发明内容
本发明的目的是克服现有无铅热释电材料室温热释电系数和退极化温度难以兼顾的问题。
为此，本发明提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，所述无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3；其中x、y为摩尔百分比，且x/y＝(0.4-0.5)/(0.5-0.6)。
具体的，上述x/y＝0.5/0.5、0.45/0.55、0.49/0.55、0.4/0.6或0.47/0.6。
本发明还提供了上述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaCO3原料；
(2)将原料进行球磨混合，得到混合粉体；
(3)将所得混合粉体依次经烘干、过筛、预烧、二次球磨、烘干、造粒、压片和烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
具体的，上述步骤(2)和步骤(3)中球磨条件为：使用聚氨酯球磨罐，以锆球为球磨介质，无水乙醇为球磨溶剂进行球磨混合。
具体的，上述步骤(2)中球磨混合时，原料与球磨溶剂的质量比为1:0.8-1:1.2，球磨时间为10-12h；步骤(3)中二次球磨时，预烧后粉体和球磨溶剂的质量比为1:0.6-1:0.8，球磨时间为10-12h。
具体的，上述步骤(3)中预烧条件为：以180℃/h升温到850-900℃后保温4-6h。
具体的，上述步骤(3)中造粒采用质量分数为3-5％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；所述粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的10-20％。
具体的，上述述步骤(3)中压片条件为：100-150Mpa下保压4-6min。
具体的，上述步骤(3)中烧结程序具体为：以5℃/min升温到550-600℃保温1.5-2h，然后以3℃/min升温到1140-1160℃保温2-4h，然后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提供的这种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料通过在0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3热释电陶瓷中调整Na和Bi的含量后获得。在BixNayTiO3中加入少量的BaTiO3并调整Na和Bi的含量，Ba2+引入使其晶格形成稳定的R3c菱方相结构，从而使无铅热释电敏感陶瓷的退极化温度从220℃提高到240℃，当x/y的比例为0.49/0.55时，其退极化温度最高可达240℃。Bi3+、Na+离子挥发形成缺陷使陶瓷具有更低的电导能量势垒，离子会更加活跃，因此对温度变化具有更高的敏感度，从而使其室温热释电系数得到提升，其室温热释电系数从3.08×10-4C m-2K-1提升到17.71×10-4C m-2K-1，当Bi/Na含量比例为0.49/0.55时，其室温热释电系数最大可达17.71×10-4C m-2K-1。该无铅热释电陶瓷材料可用作非制冷红外探测器的核心敏感元件。
2、本发明提供的高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料的制备方法采用固相法制备了0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3无铅热释电陶瓷，其烧结温度为以5℃/min升温到550-600℃保温1.5-2h，然后以3℃/min升温到1130-1150℃保温3-5h，然后随炉冷却至室温，可以简单有效地同时提升无铅热释电陶瓷室温热释电系数及退极化温度。通过在0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3热释电陶瓷中调整Na和Bi的含量后获得无铅热释电陶瓷，只调整Na+，Bi3+在陶瓷中的比例，使其依然保持0.99Bi0.5Na0.5TiO3-0.01BaTiO3稳定的钙钛矿结构，同时由于导电率提高使其更容易极化，提高了材料的室温热释电系数。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中无铅热释电陶瓷材料的XRD示意图。
图2是本发明实施例中无铅热释电陶瓷材料的SEM图。
图3是本发明实施例中无铅热释电陶瓷材料的热释电系数图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。尽管已经详细描述了本发明的代表性实施例，但是本发明所属技术领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明的范围不应局限于实施方案，而应由所附权利要求及其等同物来限定。
本发明提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，所述无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3；其为在0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3中调整Na和Bi的含量后获得，其中x、y为摩尔百分比，且x/y＝(0.4-0.5)/(0.5-0.6)。
x与y的比值优选为0.5/0.5或0.45/0.55或0.49/0.55或0.4/0.6或0.47/0.6。更优选的，x/y＝0.49/0.55。
本发明还提供了上述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，通过在BixNayTiO3中加入了少量的BaTiO3并调整Na和Bi的含量，少量的Ba2+引入使其晶格形成稳定的R3c菱方相结构，Bi3+、Na+离子挥发形成缺陷导致材料的电导率提升，从而使其更容易极化，进而使材料在退极化温度变化不大的情况下室温热释电系数得到很大提升。该制备方法包括以下步骤：
(1)根据无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaCO3原料。
(2)将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
具体的，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，原料与球磨溶剂的质量比为1:0.8-1:1.2，球磨时间为10-12h。
(3)将所得混合粉体在60-100℃的烘箱烘烤5-8h，过60-100目筛，取60-100目筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850-900℃后保温4-6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，预烧后粉体和球磨溶剂的质量比为1:0.6-1:0.8，球磨时间为10-12h。二次球磨后于60-100℃烘箱烘烤5-8h。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为3-5％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；所述粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的10-20％。
造粒后在100-150Mpa下保压4-6min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到550-600℃保温1.5-2h，然后以3℃/min升温到1140-1160℃保温2-4h，然后随炉冷却至室温。
下面通过具体实施例对本发明的高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料及其制备方法和应用的效果进行研究。
实施例1：
本实施例提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其化学组成为：0.99Bi0.5Na0.5TiO3-0.01BaTiO3，其通过以下方法制备：
(1)根据1mol无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取115.672g的Bi2O3、26.230g的Na2CO3、80.026g的TiO2、1.978g的BaCO3粉体原料。
(2)利用湿法球磨工艺将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
球磨罐为500ml聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、原料、无水乙醇的质量比为100:40:40，球磨时间为12h。
(3)将所得混合粉体在80℃下烘烤5h，过80目筛，取筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850℃后保温6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、预烧后粉体、无水乙醇的质量比为100：40：40，球磨时间为12h。二次球磨后于80℃烘烤5h，过80目筛。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的15％。
造粒后在120Mpa下保压5min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到600℃保温2h，然后以3℃/min升温到1150℃保温4h，然后随炉冷却至室温。
本实施例制备的无铅热释电陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，SEM图如图2(a)所示。将烧结好的无铅热释电陶瓷材料打磨到0.3毫米，丝网印刷银浆，烘干，在600℃下保温20分钟，在室温下加4.5kV/mm的直流电压极化30分钟后，测试样品的热释电系数如图3所示。
实施例2：
本实施例提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其化学组成为：0.99Bi0.45Na0.55TiO3-0.01BaTiO3，其通过以下方法制备：
(1)根据1mol无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取104.841g的Bi2O3、28.881g的Na2CO3、80.026g的TiO2、1.978g的BaCO3粉体原料。
(2)利用湿法球磨工艺将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
球磨罐为500ml聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、原料、无水乙醇的质量比为100:40:40，球磨时间为12h。
(3)将所得混合粉体在80℃下烘烤5h，过80目筛，取筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850℃后保温6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、预烧后粉体、无水乙醇的质量比为100：40：40，球磨时间为12h。二次球磨后于80℃烘烤5h，过80目筛。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的15％。
造粒后在120Mpa下保压5min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到600℃保温2h，然后以3℃/min升温到1150℃保温4h，然后随炉冷却至室温。
本实施例制备的无铅热释电陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，SEM图如图2(b)所示。将烧结好的无铅热释电陶瓷材料打磨到0.3毫米，丝网印刷银浆，烘干，在600℃下保温20分钟，在室温下加4.5kV/mm的直流电压极化30分钟后，测试样品的热释电系数如图3所示。
实施例3：
本实施例提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其化学组成为：0.99Bi0.49Na0.55TiO3-0.01BaTiO3，其通过以下方法制备：
(1)根据1mol无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取114.160g的Bi2O3、28.881g的Na2CO3、80.026g的TiO2、1.978g的BaCO3粉体原料。
(2)利用湿法球磨工艺将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
球磨罐为500ml聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、原料、无水乙醇的质量比为100:40:40，球磨时间为12h。
(3)将所得混合粉体在80℃下烘烤5h，过80目筛，取筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850℃后保温6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、预烧后粉体、无水乙醇的质量比为100：40：40，球磨时间为12h。二次球磨后于80℃烘烤5h，过80目筛。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的15％。
造粒后在120Mpa下保压5min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到600℃保温2h，然后以3℃/min升温到1150℃保温4h，然后随炉冷却至室温。
本实施例制备的无铅热释电陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，SEM图如图2(c)所示。将烧结好的无铅热释电陶瓷材料打磨到0.3毫米，丝网印刷银浆，烘干，在600℃下保温20分钟，在室温下加4.5kV/mm的直流电压极化30分钟后，测试样品的热释电系数如图3所示。
实施例4：
本实施例提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其化学组成为：0.99Bi0.4Na0.6TiO3-0.01BaTiO3，其通过以下方法制备：
(1)根据1mol无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取90.192g的Bi2O3、31.507g的Na2CO3、80.026g的TiO2、1.978g的BaCO3粉体原料。
(2)利用湿法球磨工艺将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
球磨罐为500ml聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、原料、无水乙醇的质量比为100:40:40，球磨时间为12h。
(3)将所得混合粉体在80℃下烘烤5h，过80目筛，取筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850℃后保温6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、预烧后粉体、无水乙醇的质量比为100：40：40，球磨时间为12h。二次球磨后于80℃烘烤5h，过80目筛。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的15％。
造粒后在120Mpa下保压5min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到600℃保温2h，然后以3℃/min升温到1150℃保温4h，然后随炉冷却至室温。
本实施例制备的无铅热释电陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，SEM图如图2(d)所示。将烧结好的无铅热释电陶瓷材料打磨到0.3毫米，丝网印刷银浆，烘干，在600℃下保温20分钟，在室温下加4.5kV/mm的直流电压极化30分钟后，测试样品的热释电系数如图3所示。
实施例5：
本实施例提供了一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其化学组成为：0.990.99Bi0.47Na0.6TiO3-0.01BaTiO3，其通过以下方法制备：
(1)根据1mol无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取109.500g的Bi2O3、31.507g的Na2CO3、80.026g的TiO2、1.978g的BaCO3粉体原料。
(2)利用湿法球磨工艺将原料进行球磨混合，得到混合粉体。
球磨罐为500ml聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、原料、无水乙醇的质量比为100:40:40，球磨时间为12h。
(3)将所得混合粉体在80℃下烘烤5h，过80目筛，取筛下物进行预烧。
预烧条件为：以180℃/h升温到850℃后保温6h。
预烧后粉体进行二次球磨，球磨罐为聚氨酯球磨罐，球磨介质为锆球，球磨溶剂为无水乙醇，球磨介质、预烧后粉体、无水乙醇的质量比为100：40：40，球磨时间为12h。二次球磨后于80℃烘烤5h，过80目筛。
烘干后粉体进行造粒，造粒采用质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的15％。
造粒后在120Mpa下保压5min进行压片，随后进行烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
烧结程序具体为：以5℃/min升温到600℃保温2h，然后以3℃/min升温到1150℃保温4h，然后随炉冷却至室温。
本实施例制备的无铅热释电陶瓷材料的XRD图谱如图1所示，SEM图如图2(e)所示。将烧结好的无铅热释电陶瓷材料打磨到0.3毫米，丝网印刷银浆，烘干，在600℃下保温20分钟，在室温下加4.5kV/mm的直流电压极化30分钟后，测试样品的热释电系数如图3所示。
由图1的XRD示意图可知，本发明提供的无铅热释电陶瓷材料均为纯钙钛矿相。
图2的SEM图表明，本发明提供的无铅热释电陶瓷材料的晶粒尺寸均匀，晶界清晰，结晶度良好；并且随着Bi/Na比例的改变，热释电陶瓷的晶粒尺寸大幅减小。
图3的无铅热释电陶瓷的热释电系数曲线表明，随着Bi/Na比例的改变，0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3陶瓷退极化温度均有所提升，同时室温热释电系数也有所提升；综合而言，当x/y＝0.49/0.55时，0.99Bi0.49Na0.55TiO3-0.01BaTiO3陶瓷的热释电性能最佳，其室温热释电系数为17.71×10-4C m-2K-1，退极化温度为240℃，其在25-30℃的热释电系数均大于17×10-4C m-2K-1。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其特征在于：所述无铅热释电陶瓷材料的化学组成为：0.99BixNayTiO3-0.01BaTiO3；其中x、y为摩尔百分比，且x/y＝(0.4-0.5)/(0.5-0.6)。
2.如权利要求1所述的高退极化温度的无铅热释电陶瓷材料，其特征在于：所述x/y＝0.5/0.5、0.45/0.55、0.49/0.55、0.4/0.6或0.47/0.6。
3.如权利要求1-2任意一项所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据无铅热释电陶瓷材料的化学计量比称取Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaCO3原料；
(2)将原料进行球磨混合，得到混合粉体；
(3)将所得混合粉体依次经烘干、过筛、预烧、二次球磨、烘干、造粒、压片和烧结，得到所述无铅热释电陶瓷材料。
4.如权利要求3所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和所述步骤(3)中球磨条件为：使用聚氨酯球磨罐，以锆球为球磨介质，无水乙醇为球磨溶剂进行球磨混合。
5.如权利要求4所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中球磨混合时，原料与球磨溶剂的质量比为1:0.8-1:1.2，球磨时间为10-12h；所述步骤(3)中二次球磨时，预烧后粉体和球磨溶剂的质量比为1:0.6-1:0.8，球磨时间为10-12h。
6.如权利要求3所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中预烧条件为：以180℃/h升温到850-900℃后保温4-6h。
7.如权利要求3所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中造粒采用质量分数为3-5％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；所述粘结剂的加入量为烘干后粉体质量的10-20％。
8.如权利要求3所述无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中压片条件为：100-150Mpa下保压4-6min。
9.如权利要求3所述的无铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中烧结程序具体为：以5℃/min升温到550-600℃保温1.5-2h，然后以3℃/min升温到1140-1160℃保温2-4h，然后随炉冷却至室温。
10.如权利要求1-2任意一项所述无铅热释电陶瓷材料在非制冷红外探测器中的应用。
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