一种提高热释电性能的材料后处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高压电材料热释电性能的材料后处理方法，属于热释电应用领域；通过交流电场老化和加应力热处理对压电材料进行预处理，再采用通常的直流极化工艺对压电材料进行极化，可以提高压电材料的热释电性能20-30%，有望在热释电探测器生产领域获得应用。
【专利说明】一种提高热释电性能的材料后处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高压电材料热释电性能的材料后处理方法，属于热释电应用领域；通过交流电场老化和加应力热处理对压电材料进行预处理，再采用通常的直流极化工艺对压电材料进行极化，可以提高压电材料的热释电性能20-30%，有望在热释电探测器生
产领域获得应用。
【背景技术】
[0002]海湾战争以来，美国军方使用的红外焦平面列阵器件的夜视(成像)功能，惊动了国际红外科学界，引发了全球范围红外探测器件研制的迅猛发展。
[0003]热释电材料是热释电探测器的核心元件，它的性能优劣直接决定红外探测的效果，目前应用的热释电材料主要有钽酸锂(LT)、硫酸三甘氨酸(TGS)和铌铁锆酸铅(PZFN)等陶瓷材料。
[0004]近年来，方必军等发现改进的Bridgman法生长的(l_x) Pb (Zn1/3Nb2/3)O3-XPbT13 (PZNT) 单晶(Bijun Fang, et al., Growth and pyroelectric propertiesof [001] -oriented (l_x) Pb (Zn1/3Nb2/3) 03_xPbTi03 single crystals, App1.Phys.Lett., 2007， 91(6): 062902/1-3)、反应烧结法制备的 0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03(0.8PMN-0.2PT)陶瓷(Bijun Fang, et al., Large pyroelectric response of0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03 ceramics prepared by react1n-sintering method, Mater.Lett., 2012，84: 91-93)具有较大的热释电系数和较高的热电探测优值，介电、热物理和力学性能优良，化学性质稳定，适用于制作热释电探测器，有望在非制冷红外探测和成像器件方面获得应用。
[0005]压电陶瓷和压电单晶需要进行直流极化处理才能呈现热释电性能，通常的直流极化工艺是在室温或者一定温度条件下、施加一定大小的直流电场极化一定的时间，压电材料本身不需要进行额外的处理，众所周知，除了开发综合性能优异的新型热释电材料之外，探索新的材料后处理工艺和极化工艺，是提高现有压电材料热释电性能的有效方法。
【发明内容】
[0006]本发明选择的压电材料是改进的Bridgman法生长的PZNT单晶和反应烧结法制备的PMNT陶瓷，分别施加交流电场老化和加应力热处理进行材料后处理，然后以文献报道的条件进行直流极化处理，采用电荷积分法测量压电材料的热释电系数；结果表明，通过本发明提出的材料后处理工艺对压电材料进行预处理，再进行通常的直流极化处理，可以提高压电材料的热释电性能20-30%，有望在热释电探测器生产领域获得应用。
[0007]本发明的主要内容包括:
通过电滞回线测量得到压电材料的矫顽场，在低频、弱电场下进行交流电场老化处理。
[0008]所述的低频指IkHz以下，优选为1Ηz-250Ηζ。
[0009]所述弱电场的电场强度为压电材料矫顽场的20_50%。[0010]所述老化处理的时间为15周期以上，出于效率和老化效果的综合考虑，优选为15-1O7 周期。
[0011 ] 所述压电材料指PZNT单晶和PMNT陶瓷。
[0012]通过介电温谱测量得到压电材料的Ttl或Tm温度，Ttl为正常铁电体的居里-外斯温度，Tm为弛豫铁电体的介电常数最大值对应的温度，施加50MPa压应力、在Ttl或Tm温度热处理 2-4h。
[0013]预处理之后的压电材料，采用通常的直流极化工艺对压电材料进行极化。
【具体实施方式】
[0014]实施例1:
改进的 Bridgman 法生长的 PZNT95/5、PZNT91/9、PZNT85/15 单晶[001]晶片分别施加 200V/mm、150V/mm、450V/mm 电场(改进的 fcidgman 法生长的 PZNT95/5、PZNT91/9、PZNT85/15 单晶[001]晶片的矫顽场 E。分别为 742V/mm、704V/mm、1240V/mm) (BijunFang, et al., Successive change of phase transit1n character in lead zinc n1batetitanate single crystals, Journal of the Physical Society of Japan, 2004, 73(4):1090-1091.)，在250Hz频率下进行交流电场老化处理15周期；交流电场老化处理后的PZNT单晶施加50MPa压应力、分别在150°C、185°C、215°C热处理2h ;通过本发明提出的材料后处理工艺预处理后的PZNT单晶，采用文献报道的条件进行直流极化处理:80°C硅油浴中、施加2kV/_直流电场极化15min,电场减半的条件下冷却至室温。
[0015]实施例2:
反应烧结法制备的0.8PMN-0.2PT陶瓷施加150V/mm电场(反应烧结法制备的
0.8PMN-0.2PT 陶瓷的 Ec=316V/mm)(Bi jun Fang, et al., Large pyroelectric response of
0.8Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.2PbTi03 ceramics prepared by react1n-sintering method, Mater.Lett.，2012，84: 91-93)，在25Hz频率下进行交流电场老化处理16周期；交流电场老化处理后的0.8PMN-0.2PT陶瓷施加50MPa压应力、在85°C热处理4h ;通过本发明提出的材料后处理工艺预处理后的0.8PMN-0.2PT陶瓷，采用文献报道的条件进行直流极化处理:120°C硅油浴中、施加2kV/_直流电场极化15min,电场减半的条件下冷却至室温。
[0016]通过电荷积分法、利用计算机控制的PY2热释电测试系统测量改进的Bridgman法生长的PZNT单晶、反应烧结法制备的PMNT陶瓷的热释电系数，温度测定精度0.01°C，电荷测定精度10_nC。
[0017]表1给出改进的Bridgman法生长的PZNT单晶、反应烧结法制备的PMNT陶瓷与热释电应用相关的性能指标；可以看出，通过本发明提出的材料后处理工艺对压电材料进行预处理，再采用通常的直流极化工艺对压电材料进行极化，压电单晶和压电陶瓷的介电常数、介电损耗有所降低，热释电系数提高20-30%。
[0018]热释电材料的性能好坏通常用电流响应优值电压响应优值Z7v=P/ (Cy
)、探测优值巧^/[^；( tan )1/2]来评价，其中/7为热释电系数，Cv为体积比热(J/m3.K)，= 8.854 ^ 10_12 F/m为真空电容率，Sr为相对介电常数。本发明提出的材料后处理工艺使得极化后的压电材料的介电常数和介电损耗降低、热释电系数提高(表1)，有利于提高压电材料的热电响应优值；表2给出通过上述公式计算的改进的Bridgman法生长的PZNT单晶、反应烧结法制备的PMNT陶瓷的热电响应优值；可以看出，本发明提出的材料后处理工艺改善了热释电材料的综合性能，有望在热释电探测器生产领域获得应用。
[0019]表 I
【权利要求】
1.一种提高热释电性能的材料后处理方法，能够提高压电材料的热释电性能20-30%，并且热释电性能的时间稳定性得到改善，其特征在于:包括以下步骤: (1)在低频交流弱电场下、对压电材料进行交流电场老化处理，消除空间电荷缺陷； (2)施加50MPa夹持力、在压电材料Ttl或Tm温度热处理2_4h，消除交流电场老化引入的应力，改善铁电畴的极化性能； (3 )采用通常的直流极化工艺对压电材料进行直流极化处理。
2.如权利要求1所述的一种提高热释电性能的材料后处理方法，其特征在于:所述的低频指IkHz以下，优选为1Ηz-250Ηζ。
3.如权利要求1所述的一种提高热释电性能的材料后处理方法，其特征在于:所述弱电场的电场强度为压电材料矫顽场的20-50%。
4.如权利要求1所述的一种提高热释电性能的材料后处理方法，其特征在于:所述老化处理的时间为15周期以上，出于效率和老化效果的综合考虑，优选为15-1O7周期。
5.如权利要求1所述的一种提高热释电性能的材料后处理方法，其特征在于:所述压电材料指PZNT单晶和PMNT 陶瓷。
【文档编号】C30B33/00GK104030728SQ201410275895
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】方必军, 刘星, 陈智慧, 丁建宁 申请人:常州大学