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當(dāng)前位置：首頁(yè) > 新聞信息- 復(fù)合熱釋電材料及陣列基礎(chǔ)研究
- 錄入時(shí)間: 2012/8/24
- 復(fù)合熱釋電材料采用陶瓷與聚合物兩相復(fù)合而成,兼具陶瓷熱釋電系數(shù)大和聚合物相對(duì)介電常數(shù)低、具有柔性的優(yōu)點(diǎn),是目前熱釋電材料研究中的熱點(diǎn)。為了解決復(fù)合熱釋電材料用于熱釋電探測(cè)器陣列遇到的熱釋電性能差、界面相容性差、陶瓷極化率低等問(wèn)題,本文從熱釋電陶瓷功能相體系的選擇、聚合物基體PVDF的改性、復(fù)合熱釋電材料界面的修飾、復(fù)合材料中陶瓷功能相的極化四個(gè)方面對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并在此基礎(chǔ)上利用復(fù)合材料制備溫度低(約100℃)的優(yōu)點(diǎn),探討并制備了基于聚酰亞胺柔性基板的復(fù)合熱釋電膜,設(shè)計(jì)了一種新型熱釋電探測(cè)器結(jié)構(gòu),為非制冷紅外探測(cè)器的制備奠定了基礎(chǔ)。 針對(duì)目前復(fù)合熱釋電材料性能較差的問(wèn)題,本文對(duì)復(fù)合材料陶瓷相體系進(jìn)行了選擇。通過(guò)理論分析,復(fù)合熱釋電材料中所用陶瓷功能相需滿足相對(duì)介電常數(shù)低、熱釋電系數(shù)高、壓電常數(shù)小等條件；在實(shí)驗(yàn)室前期研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)(Pb[(Mn1/3Nb2/3)1/2(Mn1/3Sb2/3)1/2]0.04(ZrxTi1-x)0.96O3)含鉛體系及鈮酸鈉鉀(KNN)無(wú)鉛體系0.95(KxNa1-x)NbO3-0.05LiSbO3進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)與KNN熱釋電陶瓷體系相比,PZT陶瓷具有較低的相對(duì)介電常數(shù)、較大的熱釋電系數(shù)、較小的壓電常數(shù),因此在本論文中選取PZT系列Zr含量為0.95時(shí)的熱釋電陶瓷為復(fù)合材料陶瓷功能相。 為了解決基體PVDF相對(duì)介電常數(shù)小、電導(dǎo)率低的問(wèn)題,本文通過(guò)添加蒙脫土(MMT)、石墨烯微片,研究了不同蒙脫土、石墨烯微片含量對(duì)PVDF相結(jié)構(gòu)及性能的影響,探索了β相PVDF形成機(jī)理、電導(dǎo)率的變化規(guī)律以及壓電和熱釋電性能的產(chǎn)生機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)MMT的加入誘導(dǎo)了β相PVDF的生成,增加了PVDF的結(jié)晶度,提高了PVDF的相對(duì)介電常數(shù),其中當(dāng)MMT含量為2wt%時(shí),67%的PVDF形成了結(jié)晶相,相對(duì)介電常數(shù)增大到9.54,在36℃時(shí)熱釋電系數(shù)達(dá)到了51μC/m2℃,探測(cè)率優(yōu)值約為0.8×10-5Pa-0.5；采用超聲剝離的方法制備了25nm左右厚度的石墨烯微片,復(fù)合材料中石墨烯微片的加入在誘導(dǎo)p相PVDF生成的同時(shí)增加了PVDF的結(jié)晶度,增大了基體的電導(dǎo)率及相對(duì)介電常數(shù),并產(chǎn)生了壓電和熱釋電性能,當(dāng)在制備過(guò)程中加入6mL石墨烯微片溶液時(shí),PVDF的結(jié)晶度為75%左右,電導(dǎo)率為1.24×10-13S×cm-1,相對(duì)介電常數(shù)增大到10,在36℃時(shí)熱釋電系數(shù)約為54μC/m2℃,探測(cè)率優(yōu)值均值在0.64×10-5Pa-0.5。 針對(duì)復(fù)合熱釋電材料中陶瓷相和基體相之間界面相容性差的問(wèn)題,本文通過(guò)添加硅烷偶聯(lián)劑KH570、鈦酸酯偶聯(lián)劑T1-9、螫合劑EDTA來(lái)改善復(fù)合材料的界面及性能。研究了不同界面修飾劑對(duì)復(fù)合材料界面、結(jié)晶度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介電、壓電和熱釋電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著KH570、T1-9、EDTA的添加,界面修飾劑在陶瓷粉體與基體之間形成“橋鍵”結(jié)構(gòu),改善復(fù)合材料界面的同時(shí),誘導(dǎo)生成了β相PVDF,增加了復(fù)合材料結(jié)晶度,同時(shí)增加了基體PVDF的相對(duì)介電常數(shù)。適量界面修飾劑的增加提高了復(fù)合材料陶瓷相的局部電場(chǎng),使陶瓷相極化充分,提高了復(fù)合材料的壓電和熱釋電性能。研究結(jié)果表明,當(dāng)添加0.3wt%鈦酸酯偶聯(lián)劑T1-9時(shí)復(fù)合材料在界面改善的同時(shí),熱釋電性能最優(yōu),復(fù)合材料的熱釋電系數(shù)和探測(cè)率優(yōu)值整體最大,在36℃時(shí)分別達(dá)到了95.0μC/m2℃和1.24×10-5Pa-0.5。 基于解決復(fù)合材料中陶瓷相極化的問(wèn)題,本文通過(guò)添加納米碳粉、碳納米管導(dǎo)電相,研究了不同導(dǎo)電相含量對(duì)復(fù)合材料電導(dǎo)率、比熱容、介電、壓電和熱釋電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)電相的增多,復(fù)合材料的電導(dǎo)率逐漸增大并最終達(dá)到滲流閾值,同時(shí)隨著導(dǎo)電相的增多,復(fù)合材料的比熱容逐漸減小,相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗都逐漸增大,復(fù)合材料的壓電和熱釋電性能都出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)碳納米管含量為0.9wt%時(shí),復(fù)合材料的熱釋電性能最優(yōu),其熱釋電系數(shù)均值超過(guò)130μC/m2℃,探測(cè)率優(yōu)值也高于未摻雜復(fù)合材料,在36℃時(shí)分別達(dá)到了138.68μC/m2℃和1.63×10-5Pa-0.5。 最后利用復(fù)合熱釋電材料的制備溫度低(約100℃)的優(yōu)勢(shì),探討并制備了基于聚酰亞胺柔性基板的復(fù)合熱釋電膜陣列,研制了一種新型的非制冷紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。本文采用直寫、激光微覆熔、激光打孔、絲網(wǎng)印刷等工藝,得到以聚酰亞胺為絕熱層,底電極通過(guò)通孔連接到背面走線的新型非制冷紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。新型的非制冷紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)在增大熱釋電探測(cè)率的同時(shí),使底電極走線與底電極陣元處于不同的平面,可增加單位面積內(nèi)陣元的數(shù)目,為小尺寸、多陣元探測(cè)器的大規(guī)模制備奠定了基礎(chǔ)。