高性能无铅热释电材料的研究与制备

王艺曈　王文静　常园园　张洋洋

【摘 要】近年来，热释电红外探测器和探测器阵列由于具有非制冷、广谱响应、性价比高等优点，已引起红外技术的重要变革。本文通过传统固相反应法制备了Cu掺杂KNN热释电陶瓷，从而找出更高性能的热释电材料配方。实验结果表明，适量的Cu掺杂可以明显地提高热释电陶瓷的致密度，提高介电常数，降低介电损耗，增大压电常数和机电耦合系数，使热释电系数达到了最大值，改善了热释电陶瓷的性能。

【关键词】热释电材料;掺杂;高性能

中图分类号： TG42 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0073-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.035

Research and Preparation of High Performance Lead-free Pyroelectric Materials

WANG Yi-tong  WANG Wen-jing，CHANG Yuan-yuan， Zhang Yang-yang

（Department of Mathematics and Science， Huanghe University of Science and Technology， Zhengzhou Henan 450000，China）

【Abstract】In recent years， pyroelectric infrared detector and detector array have caused important changes in infrared technology because of their uncooled， wide-spectrum response， high performance-price ratio and so on. In this paper， Cu doped KNN pyroelectric ceramics were prepared by traditional solid state reaction method， and the formula of higher performance pyroelectric materials was found out. The experimental results show that proper amount of Cu doping can obviously increase the density of pyroelectric ceramics， increase the dielectric constant， reduce the dielectric loss， increase the piezoelectric constant and electromechanical coupling coefficient， and make the pyroelectric coefficient reach the maximum. The properties of pyroelectric ceramics are improved.

【Key words】Pyroelectric materials; Doping; High performance

0 引言

近年来，热释电红外传感器的需求量逐年增长[1-2]。国外厂家正不断开发新产品以满足未来的市场需求。目前主要开发多功能多元智能传感器以及其他种类的产品。热释电红外传感器在家用电器设备中的应用还将迅速增长。目前市场上的热释电探测器、红外探测器等应用领域越来越广泛，但它们的核心部件是PZT热释电陶瓷[3]，由于PZT热释电陶瓷的主要成分是氧化铅，含铅量大，不环保[4]。因此目前正在大力研发无铅热释电陶瓷，由此可见热释电传感器的无铅化是最终的发展方向[5]。

本文主要是从KNN基低损耗热释电材料的制备，工艺流程的设计研究，分析Cu掺杂可能对KNN热释电性能的影响，从而得到最佳的热释电材料。

1 实验

1.1 样品制备

根据原始配方，使用K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Li2CO3、Sb2O3、CuO為原料，按照0.95（K0.45Na0.55）NbO3-0.05LiSbO3+X%CuO（x=0、0.3、0.6、0.9）进行配料，用锆球加酒精球磨4h，烘干后取得粉体在850℃预烧6个小时，粉碎后再球磨4h，过筛后加入去离子水，造粒，干压成型，需要在100℃至120℃之间保持一段时间，进行排胶，在1070℃-1090℃范围内烧结数小时得到陶瓷样品。烧结出的陶瓷经过抛光、镀银，在550℃烧成电极。

2 数据分析

2.1 Cu掺杂量对密度的影响

由图1密度与Cu掺杂量的关系中可以看出，掺杂Cu含量的增加，可以使密度随着含量的变化，在掺杂Cu含量为0.6%时，密度达到一个最大值为4.6g/cm3。说明这时候的掺杂含量能使热释电陶瓷致密性比较好[3]。所以密度值比较高。

2.2 Cu掺杂对介电损耗和介电常数的影响

介电常数随着铜含量的不断增加，介电常数在掺杂Cu为0.6%时有一个最大值1090;介电损耗随着铜含量的不断增加，在掺杂Cu含量为0.6%一个最小值0.015。由于“钉扎效应”，导致了畴壁内部的运动减少，从而减少了内部的损耗，降低了介电损耗，增加了介电常数。

2.3 Cu掺杂对压电常数和机电耦合系数的影响

从图2和图3中可以看出中可以看出，随着Cu掺杂的不断增加，当Cu掺杂达到0.003之前，上升的这个速率时很快的，在Cu掺杂的含量为0.6%时，压电常数和机电耦合系数都有一个最大值，此时压电常数d33=203pC/N，机电耦合系数Kp为0.41。在进行极化的时候，极化电畴数目减少，所以会导致压电常数减小。因此少量的Cu掺杂可以改善压电常数和机电耦合系数的性能。

2.4 Cu掺杂对热释电系数的影响

热释电系数与Cu掺杂量的关系，热释电系数随着Cu掺杂含量的增加，在掺杂量为0.6%时，热释电系数有一个最大值，最大值为3.410-8C/cm2K。说明适量的Cu掺杂可以影响热释电陶瓷的极化程度，能提高热释电的极化强度，进而提高热释电系数，过少或者过多的Cu掺杂对热释电系数的影响并不大。

3 结语

本文通过传统固相反应法制备了Cu掺杂KNN热释电陶瓷，当Cu掺杂摩尔量为0.6%时，其密度达到4.6g/cm3，介电常数为1090，介电损耗为0.015，压电常数为d33=203pC/N，机电耦合系数Kp为0.41，热释电系数为3.410-8C/cm2K。实验结果表明，适量的Cu掺杂可以明显地提高热释电陶瓷的致密度，提高介电常数，降低介电损耗，增大压电常数和机电耦合系数，使热释电系数达到了最大值，改善了热释电陶瓷的性能。

【参考文献】

[1]孙华，李扬.热释电红外传感器原理及其应用[J].内江科技，2010，31（12）：116+160.

[2]杜永平.浅谈红外传感器的应用[J].中国科技信息，2013，（18）：131.

[3]郭少波.红外探测用PZT热释电陶瓷材料研究进展[A]. 上海市红外与遥感学会.2015年红外、遥感技术与应用研讨会暨交叉学科论坛论文集[C].上海市红外与遥感学会：上海市红外与遥感学会，2015：6.

[4]彭强祥.PZT厚膜热释电材料及非制冷红外器件技术研究[D].电子科技大学，2014.

[5]俞玉澄.KNN/P（VDF-TrFE）热释电复合材料与四元红外气体传感器研究[D].电子科技大学，2016.