[發(fā)明專利]一種鐵電-反鐵電相變熱釋電陶瓷材料、陶瓷元件及其制備方法

有效

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• 申請日: 2010-05-11
• 公開（公告）號: CN102241511A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董顯林;張紅玲;陳學(xué)鋒;曹菲;王根水
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/493
• 分類號: C04B35/493;C04B35/457;C04B35/622
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱釋電陶瓷領(lǐng)域，涉及一種相變熱釋電陶瓷，尤其涉及一種鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變熱釋電陶瓷材料和陶瓷元件。

背景技術(shù)

熱釋電效應(yīng)可直接用于紅外探測、熱-電能量轉(zhuǎn)換、熱焦耳應(yīng)用等方面。由于具有制備方便、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，熱釋電陶瓷材料在軍用和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前使用較多的熱釋電陶瓷大致可以分為兩大類：一類為傳統(tǒng)熱釋電陶瓷，如Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)基陶瓷，利用其在遠(yuǎn)離相變點(diǎn)時(shí)極化隨溫度的變化，工作在居里溫度(T_c)以下；另一類為相變熱釋電材料，如(Ba_xSr_1-x)TiO₃(BST)基、Pb(Sc_0.5Ta_0.5)O₃(PST)基陶瓷，主要利用相變附近介電常數(shù)隨溫度的變化產(chǎn)生的感應(yīng)熱釋電效應(yīng)，工作在T_c附近，需要外加偏置電場。此外，具有低溫-高溫鐵電三方相(F_R(LT)-F_R(HT))相變的富鋯PZT基陶瓷由于熱釋電系數(shù)較高、相變時(shí)材料的介電常數(shù)幾乎不變、無需重新極化等優(yōu)點(diǎn)，也得到了廣泛研究。

通過離子摻雜、工藝改進(jìn)等手段，鐵電陶瓷的熱釋電性能得到了提高。S.T.Liu等(Ferroelectrics，3，281(1972).)制備了摻La的PZT陶瓷，相比于其它材料，其熱釋電系數(shù)可提高到18×10^-8C·cm^-2·K^-1。N.M.Shorrocks等(Ferroelectrics，106，387(1990).)研究了偏壓下PST陶瓷的感應(yīng)熱釋電響應(yīng)，在鐵電-順電(FE-PE)相變附近熱釋電系數(shù)峰值約為60×10^-8C·cm^-2·K^-1。R.M.Henson等(Phys.Stat.Sol.(a)，46，511(1978).)通過調(diào)整組成，將PbTiO₃-PbZrO₃-Pb(Fe_1/2Ta_1/2)O₃(PZFNT)三元系F_R(LT)-F_R(HT)相變的熱滯減小到了0.5℃。1992年，B.M.Kulwicki等(Proceedings?of?the?8^th?IEEE?ISAF，90，1(1992).)對常用熱釋電材料的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中BST陶瓷的熱釋電系數(shù)可達(dá)70×10^-8C·cm^-2·K^-1，該材料目前是一種重要的商用熱釋電陶瓷。

利用相變時(shí)的能量轉(zhuǎn)換和電致伸縮效應(yīng)，Sn改性的PZT(PZST)基陶瓷被廣泛應(yīng)用在儲能電容器、水聲換能器等領(lǐng)域。長期以來，對PZST基陶瓷的相變行為進(jìn)行了廣泛研究。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)在La改性的PZST基陶瓷中存在一種電場誘導(dǎo)的鐵電相(FE_IN)-AFE相變(Appl.Phys.Lett.87，192904(2005).)。我們對Pb_0.955La_0.03(Zr_0.42Ti_0.18Sn_0.40)O₃陶瓷的熱釋電響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷在FE_IN-AFE相變時(shí)熱釋電系數(shù)可高達(dá)160×10^-8C·cm^-2·K^-1。但由于這種相變是電場誘導(dǎo)產(chǎn)生的，電場傾向于穩(wěn)定FE_IN相，而溫度傾向于穩(wěn)定AFE相，該陶瓷升降溫時(shí)熱滯很大(＞30℃)，限制了其實(shí)際應(yīng)用(Appl.Phys.Lett.94，252902(2009).)。本發(fā)明通過組分調(diào)整，所獲得的陶瓷材料與之前報(bào)道的陶瓷材料的電場誘導(dǎo)FE_IN-AFE相變機(jī)理不同，該陶瓷中的FE-AFE相變是本征的，僅需溫度誘導(dǎo)，升降溫相變溫度接近，基本不存在熱滯，這對陶瓷在非制冷紅外探測技術(shù)或熱-電能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用有重要價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供了一種鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變熱釋電陶瓷材料，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。