PZT基陶瓷的热释电效应与性能研究

论文摘要

锆钛酸铅（PZT）系列陶瓷在富锆区域存在丰富的相变行为，具有优异的热释电性能，是制备非制冷型红外焦平面阵列的主流材料之一。向高灵敏度、宽工作温区方向发展的热释电红外探测器对PZT系列陶瓷提出了新要求：在靠近室温的较宽温度范围内，热释电系数高且稳定、介电常数与损耗低、探测率优值大。富锆型PZT系列陶瓷因FRL-FRH相变时产生很高的热释电系数而引起研究人员的广泛关注。本文首先通过锆钛比的调整，观测PZT基陶瓷的FRL-FRH相变特性。结果发现：锆钛比为95/5和93.5/6.5时，PZT基陶瓷分别在26℃和40℃左右出现很高的热释电系数峰值(分别达到9.7×10-8C/cm2℃和7.8×10-8C/cm2℃)；锆钛比为90/10和87.5/12.5时，热释电系数变化曲线平坦稳定(3.5×10-8C/cm2℃到4.5×10-8C/cm2℃之间)，介电常数与损耗较低。在上述研究基础上，为满足红外探测器高灵敏度、宽工作温区的要求，分别进行了以下两方面的研究：一方面对锆钛比为90/10的PZT基陶瓷掺杂改性，试图在原温区范围内整体提高其热释电系数。结果表明一定量钾掺杂量后，热释电系数整体有所提升，介电常数与损耗减小，探测率优值因而也增大。K2CO3掺杂量为0.5At%时探测率优值达到最大(5.4×10-5Pa-1/2和6.3×10-5Pa-1/2之间)。适量的锰、锑共掺杂使PZT基陶瓷铁电三方相特征增强，铁电性能大幅提升，热释电系数显著增大。但锰、锑掺杂比例不合理或者过量则可能会导致介电性能的恶化，探测率优值也受到影响。当MnO2掺杂量为1.5At%，Sb2O3掺杂量为0.5At%时，热释电系数(平均6×10-8C/cm2℃左右)和探测率优值(6.3×10-5Pa-1/2左右)均达到最大。另一方面，选择锆钛比为95/5和93.5/6.5的PZT基陶瓷进行FRL-FRH相变复合研究，试图拓宽FRL-FRH相变温区，使热释电系数在更宽的温区范围内很高。结果表明适当的复合烧结，可以实现多组份共存状态，达到“复合”效果。选取热处理温度为1100℃，质量比为1:1的复合烧结，成功拓宽了FRL-FRH相变温区，样品在19℃到43℃范围内热释电系数大于6.3×10-8C/cm2℃，探测率优值大于7.7×10-5Pa-1/2，同时介电性能和铁电性能也得到了优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热释电效应及其应用
• 1.3 热释电材料与探测器性能参数
• 1.4 PZT 热释电材料
• 1.5 选题的意义与内容
• 2 富锆型 PZT 基陶瓷的 FRL-FRH相变性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法及测试
• 2.3 锆钛比对 FRL-FRH相变性能的影响
• 2.4 锆钛比对富锆型 PZT 基陶瓷综合电性能的影响
• 2.5 本章小结
• 3 富锆型 PZT 基陶瓷的掺杂改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 钾掺杂对富锆型 PZT 基陶瓷性能的影响
• 3.3 锰、锑共掺杂对富锆型 PZT 基陶瓷性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 富锆型 PZT 基陶瓷的 FRL-FRH相变复合研究
• 4.1 引言
• 4.2 复合烧结陶瓷的组份选取与复合烧结法
• 4.3 复合烧结对 FRL-FRH相变复合性能的影响
• 4.4 热处理过程对复合烧结陶瓷综合电性能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表的论文