CN1583665A - 一种低电阻率的热释电陶瓷的制备方法及其材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低电阻率锆钛酸铅热释电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：1)Zr/Ti比例控制在(80～93)∶(20～7)范围内；2)烧结添加物为Sb2O3，MnCO3和Al2O3，以PZT为基准，添加量分别为1－5wt％；本发明提供的制备方法可使锆钛酸铅热释电陶瓷材料的电阻率控制在1～4×1011Ωcm范围内，同时保持材料原有的热释电性能不变，从而能够降低器件成本，提高器件集成度，有望应用于探测器和非致冷焦平面红外热像仪中。
Description
技术领域
本发明涉及一种低电阻率锆钛酸铅〔(Pb(Zrx，Ti1-x)O3，简称PZT))热释电陶瓷的制备方法及其材料，更确切地说是通过掺杂改性的方法将PZT热释电陶瓷材料的电阻率控制在1～4×1011Ω·cm范围内，同时保持材料原有的热释电性能，属于功能陶瓷领域。
技术背景
热释电陶瓷材料是一类经人工极化处理后，具有非零宏观自发极化强度的铁电陶瓷。在温度发生变化时，热释电陶瓷材料会对外负载释放电荷，形成电信号，产生所谓热释电效应。利用此效应制成探测器和热成像仪可以直接进行热电能量转换和红外探测。PZT热释电陶瓷材料具有成本低廉、制备方便等优点，以其作为关键材料的非致冷焦平面红外热成像仪在军用和民用方面都具有巨大的市场应用。
通常，在利用热释电陶瓷材料制作探测器时，由于其体电阻率一般都大于1×1012Ω·cm(秦树基，红外研究，1983，2(2)：118～122)，场效应管必须配备一个分立的高阻值偏置电阻，这对于降低器件的成本以及进一步提高器件单元的集成度是十分不利的。P.C.Osbond等人(Ferroelectric，1991，Vol.118：93)曾经利用掺杂并调节U3O8含量的方法有效地降低了PZT的电阻率，由此可以从电路中省去高阻值偏置电阻，使整个电路和器件都可以进行立体集成化，但U3O8具有放射性，对环境和人体健康不安全，不能大规模推广和使用，所以不是一条实用的途径。目前，探测器和热成像仪正向小型化，集成化和高效化方面发展，寻找一条能够有效地降低热释电陶瓷材料电阻率的实用方法就显得更为迫切。
发明目的
本发明的目的是提供一种低电阻率PZT热释电陶瓷的制备方法及其材料，将其电阻率控制在1～4×1011Ω·cm范围内，同时保持材料原有的热释电性能不变，以提高探测器和热成像仪的集成化。
本发明通过以下三种措施予以实现：
(1)采用市售化学纯Pb3O4，TiO2和ZrO2为起始原料，所制备的Pb(Zrx，Ti1-x)O3材料中Zr/Ti比例控制在(80～93)∶(20～7)范围内；
(2)烧结助剂为化学纯Sb2O3、MnCO3和Al2O3，以PZT为基准，添加量分别为1-5wt％；
(3)采用传统PZT陶瓷的二次烧成工艺。合成温度为650～750℃，保温1小时，再在850℃保温2小时；粉碎、过筛、成型等工艺最终烧成温度为1150～1250℃，保温1小时，样品必须在密封坩埚中烧结，且升温速率为2～4℃/分。
由此可见，由以上制备方法所制得的低电阻率热释电材料的特征在于：
1)组成式为Pb(Zrx，Ti1-x)O3，式中X＝0.80-0.93；且含有Sb2O3，MnCO3和Al2O3成份，其加入量分别为Pb(Zrx，Ti1-x)O3基准的1-5Wt％；
2)所述的材料的电阻率为1～4×1011Ωcm。
本发明提供的制备方法及材料特点：
1)本方法制备的PZT热释电陶瓷的电阻率可控制在1～4×1011Ω·cm范围内，因而可以省去场效应管的高阻偏置电阻，降低成本，提高器件集成度(见表1)；
2)本方法使用常压烧结方法即可，所制备的热释电陶瓷材料电压优值有所提高，而且材料的介电性能可以与热压烧结材料的介电性能相媲美(见表2)；
3)所制备的热释电陶瓷材料的体电阻率是相当范围内是可调的，有望应用于红外焦平面热像仪中(见表3)。
表1 低电阻率PZT热释电陶瓷材料的介电性能
| εr | Tanδ*10-2 | D33 | 电阻率1011Ωcm | 热释电系数10-8C/cm2K | |
| 实施例1 | 212 | 0.6 | 59 | 3.29 | 4.16 |
| 实施例2 | 204 | 0.7 | 58 | 1.80 | 4.00 |
| 实施例3 | 210 | 0.8 | 56 | 1.36 | 4.06 |
表2 低电阻PZT热释电陶瓷材料的介电性能
| 热释电系数10-8C/cm2K | 介电常数εr | Tanδ10-3 | 电阻率1011Ωcm | 电压优值Fv＝P/εr |
| ＞3.5 | 200-220 | 7-9 | 1-4 | 1.85 |
表3 低电阻PZT热释电陶瓷材料制成单元探测器的器件信噪比
| S信号(V) | N噪声(V) | S/N |
| 3.6-4.0 | 0.080-0.085 | 45-48 |
附图说明
图1根据国标GB3389.8-86电荷法测量得到的低电阻率PZT热释电陶瓷材料热释电系数示意图，横坐标为温度，纵坐标为电压。
图2低电阻率PZT热释电陶瓷材料电阻率和温度的关系，横坐标为温度，纵坐标为电阻率。
图3低电阻率PZT热释电陶瓷材料的居里温度，横坐标为温度，纵坐标为电容。
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步说明本发明的特点和效果：
实施例1烧结添加物为Sb2O3，MnCO3，Al2O3的PZT热释电陶瓷材料在PZT材料中Zr/Ti＝90/10，以市售化学纯Pb3O4，TiO2和ZrO2为起始原料，按PbZr0.90Ti0.10O3配料，烧结添加物为化学纯的Sb2O3和MnCO3，Al2O3，加入量分别为4Wt％，2Wt％和1Wt％以PZT为基准。采用传统电子陶瓷制备工艺，合成条件为700℃保温1小时，850℃保温2小时，烧结温度为1200℃，保温1小时，在空气中烧结，坩埚需密封并用填料埋封防止铅挥发。升温速率为3℃/分对烧成好的样品进行涂银和极化后测量其介电性能。(表1)
实施例2烧结添加物为Sb2O3，MnCO3，Al2O3的PZT热释电陶瓷材料在PZT材料中Zr/Ti＝85/15，以化学纯Pb3O4，TiO2和细ZrO2为起始原料，按PbZr0.90Ti0.10O3配料，烧结添加物为化学纯的Sb2O3，MnCO3和Al2O3，加入量分别为3Wt％，2Wt％和1Wt％。采用传统电子陶瓷制备工艺，合成条件为650℃保温1小时，850℃保温2小时，烧结温度为1150℃，保温1小时，在空气中烧结，坩埚需密封并用填料埋封防止铅挥发。升温速率为4℃/分。其余同
实施例1。
实施例3烧结添加物为Sb2O3，MnCO3，Al2O3的PZT热释电陶瓷材料在PZT材料中Zr/Ti＝80/20，以化学纯Pb3O4，TiO2和ZrO2为起始原料，按PbZr0.90Ti0.10O3配料，烧结添加物Sb2O3，MnCO3和Al2O3，加入量分别为2Wt％，2Wt％和1Wt％。采用传统电子陶瓷制备工艺，合成条件为750℃保温1小时，850℃保温2小时，烧结温度1230℃，在空气中烧结，坩埚需密封并用填料埋封防止铅挥发。其余同实施例1。
Claims (4)
1.一种低电阻率热释电陶瓷的制备方法，以Pb2O3、TiO2和ZrO2为起始原料，按Pb(Zrx，Ti1-x)O3组成配料；添加烧结助剂，然后采用传统的先合成，然后经粉碎、过筛、成型工艺再烧结的二次烧成工艺，其特征在于：
1) Pb(Zrx，Ti1-x)O3组成中Zr/Ti比控制在(80-93)∶(20-7)范围；
2) 烧结助剂为Sb2O3，MnCO3和Al2O3，以PZT为基准，添加量分别为1
-5Wt％；
3) 二次烧成工艺中合成温度为650-750℃，保温1小时然后850℃
保温2小时；最终烧成温度为1150-1250℃，且在密封坩埚中进
行。
2.按权利要求1所述的一种低电阻率热释电陶瓷的制备方法，其特征在于最终烧结时的升温速率为2-4℃/分，保温1小时。
3.按权利要求1所述的一种低电阻率热释电陶瓷的制备方法，其特征在于起始原料和烧结助剂均为化学纯。
4.一种按权利要求1所述的低电阻率热释电陶瓷的制备方法制备的材料，其特征在于：
1)组成式为Pb(Zrx，Ti1-x)O3，式中X＝0.80-0.93；且含有Sb2O3，MnCO3
和Al2O3成份，其加入量分别为Pb(Zrx，Ti1-x)O3基准的1-5Wt％；
2)所述的材料的电阻率为1～4×1011Ωcm。
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