原位复合钙钛矿钨青铜复相材料的形成及介电与热释电性能研究

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1、浙江大学博士学位论文摘要摘要热释电型非致冷焦平面阵Ylj(UncooledFocalPlaneArray--UFPA)!f工#b探测器件的特性直接与所用热释电材料相关，而热释电材料在居里温度点附近由于强介电峰的出现而具有最佳的热释电性能，可以获得较大的探测优值。因而，受热释电材料影响，这种探测器对使用环境温度有较高的要求。因此，开发一种复合热释电材料，使其在一定温度范围内具有多个强的介电峰，既可利用材料的复合效应，使材料具有高的热释电响应，又可拓宽其工作温度范围，降低探测器对使用环境温度的要求对热释电红外探测器，特别是红外热像仪性

2、能的突破，具有重要意义。本论文的研究目的在于对两种本身具有高热释电性能的钛酸锶钡Bal．。SrxTi03(BST)和铌酸锶钡SrxBal．xNb206(SBN)材料进行两相复合共存的制备研究，获得高性能两相共存复相体系，为开发新型高性能热释电探测器打下基础。本研究主要利用传统原位烧结合成方法，通过新的复相形成控制理念，进行特殊配方设计控制，以原位合成方法制备复相陶瓷Bo．7S0．3T一一vN。并获得钙钛矿／钨青铜两相共存的高热释电性能复相体系；通过深入研究两相共存体系中两相问的影响机制，掌握体系介电性能、热释电性能与结构、晶相间的

3、关系，实现对热释电性能的调整、控制和提高。本文全面回顾了UFPA，热释电材料以及复相陶瓷材料的研究进展，比较了各种UFPA的优缺点，总结了常用热释电材料及复相陶瓷材料的性能和制各方法。用XRD、SEM、EDXA、阻抗分析仪和热释电测试系统等分析了BST／SBN复相陶瓷Bo7So．3T1．vN。的制备、微观结构、介电和热释电性能。对两相共存形成的机理，对复相陶瓷材料介电常数的混合法则在B0．750．3T1。N，中的应用，对复相体系介电和热释电性能的产生和提高进行了详细研究。具体研究内容及研究结论如下：(1)对钙钛矿／钨青铜复相材料的

4、形成和制各进行了研究。首次通过对组成的过量设计确定了Bo．7So．3T1一。N，组成配方体系，对体系中形成钙钛矿相BST或钨青铜相SBN的剩余物含量及第二相形成量进行了详细的对比计算，从理沦上证明了第二相的形成直接与剩余物含量相等。发现了，复相陶瓷的形成，两相的存在关系，直接与系统组分的过量相关。在形成以钙钛矿为主相的Bo,7So3T1．yN。体系中，控制Nb205的过量可以控制形成第二相钨青铜相；在形成以钨青铜为主相的Bo．7So．3T1．斟。体系中，控制BaO和SrO的过量可以控制形成第二相钙钛矿相。Bo7S03T1．vN，体

5、系中组分变化在Y值为塑坚盔堂蔓主主焦堡塞塑塞0．1～0．8范围时可控制钙钛矿BST相和钨青铜SBN相两相稳定共存，当y=0．3～O．4时，两相含量相当。(2)对复相陶瓷原位形成两相的晶相特性进行了研究。确定了复相陶瓷Bo．7So．3T1．vN。同时具有钙钛矿BST相和钨青铜SBN相两相复合的特性，形成的钙钛矿相和钨青铜相可以是分别掺杂有一定量Nb205和Ti02的BST／Nb205和SBN／Ti02固溶体相，也可以固溶量极少。两相含量相当的Bo．7So．3Tt—vN，复相体系中形成的钙钛矿相几乎不固溶Nb205，而形成的钨青铜相则

6、固溶有一定量的Ti02。钨青铜相的铁电巾哽电相转变温度与钨青铜相中固溶Ti02量相关，Ti02固溶量增加，转变温度降低；同时受复合体系中钙钛矿相的影响，钙钛矿相含量增加，转变温度升高。复相体系中钨青铜相的最低铁电／／il哽电相转变温度约在200。C，比纯SBN相下降约90。c。(3)对复相陶瓷Bo．7So．3T1．yNy的微观形貌进行了分析研究。研究表明，复相陶瓷Bo．7So．3Tt。Nv体系明显由钙钛矿相和钨青铜相两相晶粒复合而成。钙钛矿相呈多边形小晶粒，而钨青铜相以长棒状大晶粒存在。钨青铜相晶粒的力学性能比钙钛矿相差，样品断裂

7、时多为穿晶开裂。Nb5十在钙钛矿相中固溶引起晶格较大畸变，阻碍钙钛矿相晶粒生长；较小晶粒的钙钛矿相存在及Tr在钨青铜相中固溶则抑制钨青铜相晶粒异常长大。与单相SBN陶瓷相比，小晶粒BST对大晶粒SBN空隙的填充，明显提高了复相陶瓷的致密度。(4)对原位复合形成的Bo7S03T1．N，鼯相共存复相材料的介电常数与复合两相特性的关系进行了研究。研究指出，原位复合形成的B。7So3T--yN，两相共存复相材料，不能简单地用传统的复相材料介电常数计算时考虑的仅与复合各单相本身的介电常数及其各自在复相体系中的含量有关进行讨论，而必须同时考虑

8、到由于在同一体系中两相分别形成相关联的固溶体，并随着固溶度的不同分别对各相介电常数产生的影响。以此首次推出了B。，so3T1．vN，两相共存复相材料的介电常数随组成变化的理论计算公式刈n占=％，·‰j鲁莽磐型]+‰，础一∥(吲)托，与实验结果完全一