一种反铁电体与GaN半导体组成的复合陶瓷及其制备方法

一种反铁电体与gan半导体组成的复合陶瓷及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其是涉及一种反铁电体与gan半导体组成的复合陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.热释电探测器的主要作用就是可以探知环境温度的改变，所以可以用于夜晚观察和探测目标的辐射，由于该特性使得热释电探测器得到了广泛的关注，尤其是得到了军工部门的大力关注，使其运用于红外预警、红外成像等军事侦查领域。
3.现如今，各行各业都已经用上了热释电探测器，热释电成像技术更是一跃成为和雷达还有电视并称的三大传感系统之一。热释电器件最为核心的零件就是热释电材料，可以说热释电材料的发展直接影响着探测器的发展，所以探讨热释电材料的研究进展具有非常重要的意义。热释电探测器之所以能够探测，是靠热释电敏感单元的作用，所以敏感单元是探测器的核心部分，敏感单元的核心材料就是热释电材料。热释电的工作机理简单的解释就是热释电敏感材料对外界环境的感知(温度的变化)，并产生相应的感应电荷，再经外部电路流出放大的过程。所以热释电材料的研究变得至关重要。热释电效应从微观层面来说就是材料的极化强度随着外界环境温度的变化而产生感应电荷，从宏观层面来说就是随着温度的变化而产生电流。
4.目前，热释电材料主要可分为单晶材料(如litao3、sbn、linbo3、ktn等)；复合材料及有机聚合物(如pvdf、pvf、pvdf-pzt等)；压电陶瓷材料(如batio3、zno、pmn、plzt、pbtio3、pzt等)。单晶热释电材料探测优质高，晶体易于生长，热扩散系数小，介电常数小，其缺点是易受潮分解，需密封好，加工和使用均不方便，工艺过程复杂；复合材料及高分子有机聚合物居里温度高，物化性能稳定，热导率小，易于加工，适合制作大面积电子器件，其缺点是热释电系数低，强度比较低，与微电子技术兼容差。
5.压电陶瓷材料尤其是pzt基陶瓷的热释电性能和居里温度适中，相比于单晶材料来说，制备工艺简单，生产成本低，因此是热释电领域的热门材料。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种反铁电体与gan半导体组成的复合陶瓷及其制备方法。本发明复合陶瓷在室温可以获得超高的热释电系数p。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种反铁电体与gan半导体组成的0-3型复合陶瓷，所述复合陶瓷的结构式为(1-x)pnzst:xgan，其中0.01≤x≤0.10；
9.pnzst为反铁电体的简写，具体结构式为pb
0.99
nb
0.02
[(zr
0.57
sn
0.43
)
1-y
tiy]
0.98
o3，0.060≤y≤0.067。
[0010]
一种反铁电体与gan半导体组成的复合陶瓷的制备方法，采用二步固相法的制备工艺，第一步为制备结构稳定的pnzst陶瓷粉体，第二步为引入gan，与pnzst形成复合陶瓷。
[0011]
所述制备方法包括如下步骤：
[0012]
(1)制备pnzst粉体：
[0013]
pb
0.99
nb
0.02
[(zr
0.57
sn
0.43
)
1-y
tiy]
0.98
o3，0.060≤y≤0.067，按照元素计量比称量原料pbo、tio2、zro2、nb2o5和sno2，再球磨，烘干后煅烧，将煅烧后的粉体再次进行高温预烧结，再次球磨、烘干，获得所述pnzst粉体；
[0014]
再次进行高温预烧结可以提高pnzst的相稳定性；
[0015]
(2)引入gan半导体，与pnzst形成复合陶瓷：
[0016]
根据化学式(1-x)pnzst:xgan，0.01≤x≤0.10，分别称量步骤(1)制得的pnzst粉末和gan纳米粉体，球磨处理使其混合均匀，混匀后的粉末经干燥处理后压制成型，并置于坩埚中快速高温烧结，获得所述复合陶瓷。
[0017]
步骤(1)中，球磨是在无水乙醇中球磨12h。
[0018]
步骤(1)中，煅烧的条件为850～900℃下煅烧4～5h；高温预烧结的条件为1200～1300℃下预烧结2～4h。
[0019]
步骤(2)中，快速高温烧结时的升降温速率为9-10℃/min，烧结的条件为1000～1100℃下烧结0.5～1h。
[0020]
步骤(2)中，gan纳米粉体粒径为30～50nm。
[0021]
步骤(2)中，混匀后的粉末中还掺入黏结剂pva，压制成型，坯体在650℃排胶。
[0022]
本发明有益的技术效果在于：
[0023]
本发明复合陶瓷中gan分布在反铁电pnzst的晶界位置，由于两相之间热膨胀系数失陪而产生局域应力场，实现了反铁电相向铁电相转变。在室温附近构建了铁电/反铁电相界，在温度驱动下，获得超高的热释电系数p，而达到优异的热释电性能。
[0024]
本发明复合陶瓷的制备方法简便、效率高，期间无复杂工艺和昂贵的设备，成本较低；与传统的基于同类材料的固溶体相比，本发明利用gan的加入，构建铁电/反铁电相界，降低极化翻转的势垒，促进极化转向而增强热释电效应，为热释电红外传感器提供材料基础和物理基础。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例1所得复合陶瓷样品的铁电回线。
[0026]
图2为本发明实施例1所得复合陶瓷样品随温度变化的热释电系数值。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
[0028]
实施例1：
[0029]
一种反铁电体与gan半导体形成0-3型复合陶瓷，所述复合陶瓷的化学式为0.99pb
0.99
nb
0.02
[(zr
0.57
sn
0.43
)
0.937
ti
0.063
]
0.98
o3:0.01gan，其制备方法为：
[0030]
(1)以分析纯pbo(99.99％)，tio2(99.5％)，zro2(99.99％)，nb2o5(99.9％)，sno2(99.5％)为原料，按照元素化学计量比，称量27.0843g的pbo，0.5977g的tio2，7.7403g的zro2，0.3193g的nb2o5，7.1768g的sno2，在无水乙醇中球磨12h以使原料充分混合均匀，烘干后，在900℃下煅烧4h，将煅烧得到的pnzst粉体在1250℃预烧结3h，再次球磨12h使粉体磨
细，烘干，获得纯钙钛矿相结构pnzst粉体。
[0031]
(2)根据化学式0.99pnzst:0.01gan分别称量29.9282g步骤(1)获得的pnzst粉体和0.0718g gan纳米粉体(粒径为30nm)，球磨12h，烘干，掺入黏结剂pva，压制成型，坯体在650℃排胶后，以每分钟9℃快速升温至1050℃烧结，保温1h，同样以每分钟9℃快速降温至室温，制得所述复合陶瓷，该结构致密性良好。
[0032]
实施例2：
[0033]
一种反铁电体与gan半导体形成0-3型复合陶瓷，所述复合陶瓷的化学式为0.97pb
0.99
nb
0.02
[(zr
0.57
sn
0.43
)
0.937
ti
0.063
]
0.98
o3:0.03gan，其制备方法参照实施例1；其中，pnzst粉体煅烧温度为850℃保温5h，预烧温度为1200℃，保温4h，0.97pnzst:0.03gan复相陶瓷中pnzst的质量为29.7813g，gan纳米粉体(粒径为40nm)的质量为0.2187g，烧结温度为1030℃，保温1h。
[0034]
实施例3：
[0035]
一种反铁电体与gan半导体形成0-3型复合陶瓷，所述复合陶瓷的化学式为0.90pb
0.99
nb
0.02
[(zr
0.57
sn
0.43
)
0.937
ti
0.063
]
0.98
o3:0.10gan，其制备方法参照实施例1；其中，pnzst粉体煅烧温度为870℃，保温4h，预烧温度为1230℃，保温3h，0.90pnzst:0.10gan复相陶瓷中pnzst的质量为29.2287g，gan纳米粉体(粒径为50nm)的质量为0.7713g，烧结温度为1020℃，保温1h。
[0036]
测试例：
[0037]
采用热释电测试仪对实施例1-3所得复合陶瓷进行性能测试，测试结果如表1所示。
[0038]
表1
[0039][0040]
由表1数据可以看出，随着半导体gan的加入，实现了基体材料从反铁电相转变为铁电相，通过温度诱导，复合材料会随着温度的变化而发生铁电-反铁电相变，而实现较大的极化强度变化率，从而获得优异的热释电性能；随着半导体gan含量的增多，铁电-反铁电相变温度增加，则热释电性能温度稳定性提高。