陶瓷-聚合物熱釋電材料與器件工藝研究.pdf

1、由陶瓷相與聚合物基體復(fù)合而成的熱釋電復(fù)合材料，兼具氧化物陶瓷材料熱釋電系數(shù)高和高分子聚合物熱容小、介電常數(shù)低、柔性好、可加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前熱釋電材料領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。但熱釋電復(fù)合材料的熱釋電系數(shù)較單晶與陶瓷低、陶瓷與聚合物兩相間結(jié)合強(qiáng)度差、陶瓷相難以充分極化，這些問題都嚴(yán)重制約著此類紅外探測(cè)器性能的提高。針對(duì)上述問題，本論文從PZT陶瓷相的含量選取、煅燒PZT以增強(qiáng)界面相容度和PZT摻雜改性提高自身極化強(qiáng)度等方面對(duì) PZT/P(

2、VDF-TrFE)復(fù)合材料進(jìn)行了詳細(xì)的討論和研究，并在此基礎(chǔ)上采用激光刻蝕技術(shù)制備了一種以 PZT/P(VDF-TrFE)復(fù)合厚膜為熱釋電敏感材料的新型熱釋電紅外探測(cè)器單元。
　　1、研究了復(fù)合材料的制備和極化方法。以N，N-二甲基乙酰胺(DMA)為溶劑制備了 P(VDF-TrFE)溶液，加入水熱法制備的純鈣鈦礦結(jié)構(gòu) PZT粉體配制得到PZT/P(VDF-TrFE)懸浮液，并最后通過流延工藝制備了 PZT/P(VDF-TrFE)復(fù)

3、合厚膜。研究結(jié)果顯示，流延法制備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密、表面平整，內(nèi)部孔隙率較低。通過對(duì)復(fù)合材料極化工藝的研究發(fā)現(xiàn)，采用對(duì)復(fù)合材料中陶瓷相與聚合物分別極化的分步極化法能夠獲得較好的極化效果。
　　2、研究了PZT陶瓷相含量與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，PZT粉體含量對(duì)兩相間的界面結(jié)構(gòu)有顯著影響。當(dāng)PZT含量為50％時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的氣孔率較低，材料與基板間的結(jié)合緊密。而當(dāng)其含量升高到60%時(shí)，復(fù)合材料兩相間的界面開始變得粗糙，材

4、料內(nèi)部氣孔率也有所升高。研究表明，在PZT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，復(fù)合材料具有最高的熱釋電系數(shù)、較低的介電損耗和與P(VDF-TrFE)聚合物厚膜相近的介電常數(shù)，其探測(cè)度優(yōu)值因子FD與純P(VDF-TrFE)厚膜相比顯著提高。
　　3、研究了PZT粉體的煅燒溫度對(duì)復(fù)合材料性能的影響。高溫煅燒有助于改善陶瓷相和聚合物之間的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)化復(fù)合材料的整體性能。結(jié)果顯示，由700℃煅燒過的PZT粉體制備的復(fù)合材料具有最高的熱電系數(shù)96μC/

5、m2K，比未優(yōu)化處理的復(fù)合材料提高了20％以上，其探測(cè)率優(yōu)值也相應(yīng)增加了約13.5％。
　　4、研究了PZT中Mn摻雜含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響。采用水熱法合成了具有不同 Mn含量的 PZTMx陶瓷粉體，并制備了 PZTMx/P(VDF-TrFE)(x=1，2，3)復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，Mn摻雜有效地降低了PZT的介電常數(shù)，陶瓷相的極化強(qiáng)度也因此得到了改善。當(dāng)PZTM2用作陶瓷填料時(shí)，復(fù)合材料的介電損耗最低，并且獲得了最高的熱釋電系數(shù)

6、和 FD。PZTM2/P(VDF-TrFE)復(fù)合厚膜的熱釋電系數(shù)約為113μC/m2K，比 PZT/P(VDF-TrFE)高約26％。介電和熱釋電性能的大幅優(yōu)化使得PZTM2/P(VDF-TrFE)的FD值提高到了1.77×10-5Pa-1/2，相比于PZT/P(VDF-TrFE)提高了約35％。
　　5、最后采用激光刻蝕工藝將 PZT/P(VDF-TrFE)復(fù)合材料厚膜制作為2×2mm2的紅外熱釋電單元型器件，并系統(tǒng)地測(cè)試并計(jì)算