极性微晶玻璃的结构与热释电性能研究

来源：哗拓教育

第32卷第6期玻璃与搪瓷Vol.32No.6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年12月GLASS&ENAMELDec.2004

极性微晶玻璃的结构与热释电性能研究Ξ

张栋杰ΞΞ1,王晓敏ΞΞΞ1,丁振亚2

(1.南京师范大学材料科学实验室,江苏　南京　210097;　2.武汉工业大学北京研究生部,北京　100024)

摘要:采用高温熔融方法制备了Ba2-xSrxTiSi2O8(简称BSTS)非铁电极性微晶玻璃。用XRD和SEM分析了其取向生长的结构特性。BSTS微晶玻璃使用温度高,不易老化,抗磁电干扰,同时具有较大的热释电电压及探测率优值因子,分别为0.27m2・C-1和10-5Pa-1/2,其非制冷热释电探测器探测率D3(500,80,1)为1.5×Hz・W-1,适合于热释电探测器方面应用。107cm・关键词:微晶玻璃;热释电;极性微晶中图分类号:TQ171.73+3　　文献标识码:A　　文章编号:1000-2871(2004)06-0011-03

StructureandPyroelectricityofPolar

Ba2-xSrxTiSi2O8Glass2Ceramics

ZHANGDongνjie1,WANGXiaoνmin1,DINGZhenνya2

(1.LaboratoryofMaterialsScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210097,China;2.BeijingGraduateSchool,WuhanUniversityofTechnology,Beijing100024,China)

Abstract:TheglassofBaO2SrO2TiO22SiO2waspreparedbyhightemperaturemeltingmethod.Usedhighgradienttemperature,thepolarmicrocrystalBa2-xSrxTiSi2O8(BSTS)crystallizedfromtheglasssystems.Thestructureoforientedgrowthundergradientoftemperaturehadbeendetermined

),BSTSglass2ceramicshavenoagingbyXRDandSEM.Usedathightemperature(upto1000℃

problemandalsohaveinterferenceimmunitytoelectricormagneticfieldupto1.2T.ThepolarBa2-xSrxTiSi2O8glass2ceramicshavealargerpyroelectricconstant.ResponsedetectorandvidiconofpolarBSTSglass2ceramicwere0.27m2C-1and10-5Pa-1/2

,respectively.Thepyroelectricdetection

efficiencyD3(500,80,1)ofpolarBSTSglass2ceramicwas1.5×107cm・Hz・W-1.Obviourslyitisapromisingmaterialforhightemperaturepyroelectricdetectors.Keywords:glass-ceramic;pyroelectricity;polarmicrocrystal

0　引言

极性微晶玻璃是指一定组成的玻璃在特定的退火条件下析出具有压电和热释电等非铁电极性微晶的微

Ξ收稿日期:2003-09-28

ΞΞ作者简介:张栋杰(1965-)男,河南洛阳人,博士,副教授。主要从事铁电、铁磁功能材料与器件的研究与开发。　　　E-mail:zdj2003@email.njnu.edu.cn

ΞΞΞ基金项目:江苏高校自然科学研究计划项目(NO.03KJB430068)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　玻璃与搪瓷　　　　　　　　　　　　　　　2004年　・12・

晶玻璃,其主要特点是极性微晶沿C轴取向而产生自发极化,与铁电陶瓷的主要区别在于无需外电场极化而具有压电、热释电等特性。极性微晶玻璃使用温度高,无老化现象,且具有较大的静水压压电优值常数,因而可以在水听器方面得到应用[1]。

Ba2-xSrxTiSi2O8(简称BSTS)极性微晶是非铁电压电材料[2],没有一定的居里相变温度,使用温度高(1000℃),不易老化,能够抗恶劣环境等,特别是具有较大的静水压压电优值常数,所以适宜制作标准水听

器;同时其相对介电常数和介电损耗较小,也具有较大的电压和探测率优值因子,因而有望在非制冷热释电探测器方面得到应用。但BSTS微晶玻璃具有压电与热释电性能,必须具有微晶取向生长的结构特性。

本文研究了BSTS极性微晶玻璃的结构以及其热释电特性。

1　实验过程

基础玻璃组分为(2-x)BaO-xSrO-1.0TiO2-2.8SiO2,将各种分析纯试剂SrCO3、BaCO3、TiO2和SiO2等按比例混合,在铂坩埚中于1550℃熔制,成形并在600℃退火。将玻璃切割、抛光,然后在梯温电炉中进行晶化处理,得到BSTS极性微晶玻璃。

微晶玻璃的XRD结构利用D/Max-rC型X2射线衍射仪分析,微晶玻璃的形貌利用ASM-SX扫描电镜观察,压电常数d33用d33准静态仪测量,热释电系数采用电荷积分法测量。

2　结果与讨论

2.1　极性微晶玻璃的结构分析

图1为x=0.2的样品在不同的压电常数d33条件下微晶玻璃的XRD图谱,其主晶相为BSTS,但对于微晶玻璃粉末(图1,d33=0),其极性微晶在极性玻璃中的生长是整体析晶和长大的;但对于具有较高压电常数(d33=10×10-12C/N)的微晶玻璃块材,XRD分析表明极性微晶沿着(002)方向取向生长,其SEM分析(图2)也表明极性微晶具有取向生长特性。

对于一定的组成,极性微晶取向度越高,其压电常数和热释电系数也越大。

BSTS极性微晶的压电和热释电特性是在温度梯度的作用下极性微晶沿C轴取向排列而产生的,

图1　不同压电常数d33的微晶玻璃的XRD图谱

Fig.1　Thecurvesvs.d33inglass2ceramics

而破坏极性微晶的取向排列结构,需要1100℃以

上的高温使极性微晶软化,否则很难改变其结构以及压电、热释电性能,这与铁电陶瓷在外电场的作用下电畴取向的结构是不同的。

我们对10年前制备的试样测量结果表明d33值变化不大;试样在1100℃恒温4h冷却至室温后再测量其d33值,结果表明d33值无明显变化,热释电系数也无明显变化;分别在3kV/mm的电压和1.2T(特斯拉)磁场作用下,其d33值也没有明显变化。对极性微晶的静水压测量表明,在8MPa时,gh无明显变化[1],所以BSTS极性微晶玻璃适合于高温、高电压、高磁场和深水等条件下应用。2.2　极性微晶的热释电性能

极性微晶玻璃的热释电性能与压电性能一样,取决于微晶的取向排列程度,所以其热释电性能1100℃以下时是稳定的。利用电荷积分法测量了极性微晶玻璃的热释电系数P3,其热释电性能如表1所示。

　第32卷第6期　　　　　　　　　　　　玻璃与搪瓷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・13・

表1　BSTS极性微晶玻璃热释电性能

Tab.1　ThepyroelectricpropertyofBSTSpolarglass2ceramics

x(mol)1.81.61.21.00

pyroelectric　coefficient

P3(298K,10-9C/cm2・K)

Dielectriclosstgδ(10-3)1.461.161.311.541.40

Dielectricconstant

εr

12.511.511.510.812.7

2.85.821.72.5

　　在热释电探测器应用时,评价材料的标准一般用电流Fi、电压响应率Fv和探测率Fd优值因子作为判断依据,其表达式如下所示[3]。

Fi=Fv=Fd=

P3CpP3CεpεorP3⑴　　⑵　　⑶　　

εδCpεortg

εδ分别为材料的定压热容、式中,Cp、真空介电常数和介电损耗。o和tg

表2列出了常用非制冷型热释电材料的性能。

表中,Ba2TiSi2O8、ATGSAs、TGS和LiTaO3为单晶,SBN50是Sr0.5Ba0.5Nb2O6改性陶瓷。

图2　极性微晶玻璃中BSTS的

SEM形貌(d33=13x-12

从表2看,极性微晶玻璃虽然其热释电系数较小,但由于其相对介电常数和介电损耗较小,所以其电压响应率Fv和探测率Fd优值因子还是较大的。极性微晶玻璃具有较好的机械强度、很高的耐温度特性以及抗电磁特性,因而在大面积热释电探测器方面具有一定的优势。

表2　常用热释电材料的一些性能

Tab.2　Thepropertiesofsomepyroelectricmaterials

materials(℃)BSTS(x=1.6)Ba2TiSi2O8ATGSAs(25)TGS(35)LiTaO3PVDFSBN50

P3(10-4C

C/N)

Fig.2　TheSEMofBSTSpolar

glass-ceramics

(1kHz)11.51132554712400

tgδ(1kHz)0.00116<0.0010.010.0250.0050.0150.003

CpFvFd

m-2K-1)0.580.17.05.52.30.275.5

(106Jm-3K-1)

2.10

(m2C-1)0.27

(10-5Pa-1/2)

8.0

Refer.

0.99

2.63.22.432.34

0.430.170.10.07

16.66.1

0.887.2

用10W的CO2激光照射的实验表明,输出信号稳定,极性微晶玻璃没有受到破坏,这比TGS耐激光能力高[3]。极性微晶玻璃的热释电器件探测率D3(500,80,1)为1.5×Hz・W-1,比单晶TGS的D3107cm・

(500,80,1)5×Hz・W-1[4]小,所以通过改进性能提高其探测率,则在红外激光方面还是具有一定潜108cm・

(下转第23页)力的。

　第32卷第6期　　　　　　　　　　　　玻璃与搪瓷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・23・

表1　排气实验效果

位　置无排气口的锡槽有排气口的锡槽

　　3在24h随机取样。数据由PPG工业公司提供。

进　口

10031003

中　部

577

出　口

287

⑴使用两对槽内气体排出孔,以便于操作过程中的维修。⑵在保持锡槽内压力情况下,通过压缩空气导流装置排出的气体量宜进一步加大,可占保护气体总流量的15%～20%。

⑶该装置可实行微机控制,可随时观察使用情况。

4　结语

综上所述,用压缩空气导流技术改善锡槽内的气氛的方法是可行的。通过在锡槽上的应用,可以认为,压缩空气导流技术是一项新颖的、比较成熟的、简单有效的技术。不但玻璃成型情况更加良好,而且锡的消耗下降,经济价值可观。导流时机应把握好,根据情况,随时使用,效果更佳。参考文献:

[1]　孙晋涛.硅酸盐热工基础[M].武汉:武汉工业大学出版社,1992.5-9.

(上接第10页)

参考文献:

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[5]　周世　,王淙,等.研究某些CaO-Al2O3-SiO2系统玻璃的晶化过程[J].玻璃,1994,(4):52-56.[6]　程金树,等.Na2O等对微晶玻璃装饰板材烧结和析晶的影响[J].武汉工业大学学报,1996,18(1):30-32.

(上接第13页)

3　结论

BSTS极性微晶非铁电压电微晶玻璃,其极性微晶沿C轴取向排列,破坏其结构及压电、热释电性能需

),不易老化,抗磁电干扰。BSTS极性微晶玻璃要1100℃以上的高温,使极性微晶软化;使用温度高(1000℃

同时具有较大的热释电电压及探测率优值因子,分别为0.27m2C-1和10-5Pa-1/2,其非制冷热释电探测器探

测率D3(500,80,1)为1.5×107cm・Hz・W-1。参考文献:

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[3]　钟维烈.铁电物理学[M].北京:科学出版社,1998.

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