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非制冷焦平面用热释电材料研究

杨文  
【摘要】: 热释电红外传感器具有成本低廉、无需制冷和对红外波长无选择性等优异特点,在红外探测和红外成像领域占有极其重要的地位。以热释电材料制备的非制冷焦平面已被证明具有与制冷型焦平面相竞争的优良性能,从而引起越来越多研究者的兴趣。本论文实验研究了焦平面用(Ba,Sr)TiO_3热释电陶瓷及BST/PVDF复合材料的特性,分析了晶粒尺寸对陶瓷材料热释电特性的影响,并探讨了利用复合工艺来制备焦平面用热释电薄膜的可能性。主要结论如下: 1.实验中首次采用微波处理的方法,对BST凝胶进行晶化处理制备陶瓷粉体,并对凝胶灼热演化过程进行了分析和研究,获得了颗粒尺寸约50nm的(Ba,Sr)TiO_3陶瓷粉体。分析表明,微波晶化过程也产生了中间相(Ba,Sr)CO_3和TiO_@,与传统晶化过程基本一致。该工艺可以在较短的时间内使凝胶完全转化为钙钛矿相,合成温度由1100℃降至900℃,所得到的粉体颗粒尺寸分布均匀,较传统固相合成法小一个数量级。 2.首次采用居里温度较低的(Ba,Sr)TiO_3纳米粉体,制备了不同体积比的BST/PVDF 0-3型复合热释电材料。实验分析表明,复合体的热释电优值因子F_D比BST陶瓷提高了约30%。复合膜的厚度以及陶瓷颗粒的尺寸都对复合体的介电和热释电特性存在影响。以这种方法制备的热释电材料有可能在红外焦平面的领域有广泛的应用前景。 3.微波烧结方法有效地抑制了晶粒长大,可以获得晶粒尺寸在1μm以内的(Ba,Sr)TiO_3致密陶瓷。实验中,在1300℃烧结15分钟就已经达到95%以上的相对理论密度,晶粒尺寸约为0.32μm。研究发现,晶粒尺寸在0.8μm附近,Ba_(0.80)Sr_(0.20)TiO_3陶瓷的四方率(c/a)存在一个极大值。 4.实验研究了不同晶粒尺寸条件下(Ba,sr)TiO_3陶瓷的介电特性。研究表明,晶粒尺寸在0.8μm附近时,室温下材料的介电常数存在一个峰值,且弥散指数具有极小值;粒径越小,介电温谱随频率变化的程度就越小,且对电场的稳定性越好。实验首次发现,微波烧结获得的细晶粒陶瓷的介电损耗远小于传统工艺制备的样品,这一特性对于制备低噪声、高探测率的热释电材料具有重要的应用价值。 5.首次对(Ba,Sr)TiO_3陶瓷热释电特性的晶粒尺寸效应进行了研究。实验表 电子科技大学博士学位论文 明,在无外置电场情况下,材料的热释电系数峰值随着晶粒尺寸的减小,在0.8 pm附近存在一个极大值,而后随晶粒尺寸的进一步减小而迅速减小。外场作用 下,热释电峰宽化并有所下降,峰位向高温处移动。晶粒尺寸小的样品在偏场 作用下热释电系数变化较小。晶粒尺寸为 0.8 P m的 Ba*石n。。Tio。陶瓷样品具有 最高的优值因子F。,且对电场有较好的稳定性,是热释电焦平面用的理想材料。


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