復合熱釋電材料及陣列基礎研究.pdf

1、復合熱釋電材料采用陶瓷與聚合物兩相復合而成,兼具陶瓷熱釋電系數(shù)大和聚合物相對介電常數(shù)低、具有柔性的優(yōu)點,是目前熱釋電材料研究中的熱點。為了解決復合熱釋電材料用于熱釋電探測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、復合熱釋電材料界面的修飾、復合材料中陶瓷功能相的極化四個方面對復合材料進行了系統(tǒng)研究,并在此基礎上利用復合材料制備溫度低(約100℃)的優(yōu)點,探討并制

2、備了基于聚酰亞胺柔性基板的復合熱釋電膜,設計了一種新型熱釋電探測器結構,為非制冷紅外探測器的制備奠定了基礎。
　　針對目前復合熱釋電材料性能較差的問題,本文對復合材料陶瓷相體系進行了選擇。通過理論分析,復合熱釋電材料中所用陶瓷功能相需滿足相對介電常數(shù)低、熱釋電系數(shù)高、壓電常數(shù)小等條件;在實驗室前期研究的基礎上,通過對鋯鈦酸鉛(PZT)(Pb[(Mn1/3Nb2/3)1/2(Mn1/3Sb2/3)1/2]0.04(ZrxTi1-x)

3、0.96O3)含鉛體系及鈮酸鈉鉀(KNN)無鉛體系0.95(KxNa1-x)NbO3-0.05LiSbO3進行對比研究,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時的熱釋電陶瓷為復合材料陶瓷功能相。
　　為了解決基體PVDF相對介電常數(shù)小、電導率低的問題,本文通過添加蒙脫土(MMT)、石墨烯微片,研究了不同蒙脫土、石墨烯微片

4、含量對PVDF相結構及性能的影響,探索了β相PVDF形成機理、電導率的變化規(guī)律以及壓電和熱釋電性能的產(chǎn)生機理。研究發(fā)現(xiàn)MMT的加入誘導了β相PVDF的生成,增加了PVDF的結晶度,提高了PVDF的相對介電常數(shù),其中當MMT含量為2wt％時,67％的PVDF形成了結晶相,相對介電常數(shù)增大到9.54,在36℃時熱釋電系數(shù)達到了51μC/m2℃,探測率優(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,

5、復合材料中石墨烯微片的加入在誘導β相PVDF生成的同時增加了PVDF的結晶度,增大了基體的電導率及相對介電常數(shù),并產(chǎn)生了壓電和熱釋電性能,當在制備過程中加入6mL石墨烯微片溶液時,PVDF的結晶度為75％左右,電導率為1.24×10-13S×cm-1,相對介電常數(shù)增大到10,在36℃時熱釋電系數(shù)約為54μC/m2℃,探測率優(yōu)值均值在0.64×10-5Pa-0.5。
　　針對復合熱釋電材料中陶瓷相和基體相之間界面相容性差的問題,本文

6、通過添加硅烷偶聯(lián)劑KH570、鈦酸酯偶聯(lián)劑T1-9、螯合劑EDTA來改善復合材料的界面及性能。研究了不同界面修飾劑對復合材料界面、結晶度、擊穿場強、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”結構,改善復合材料界面的同時,誘導生成了β相PVDF,增加了復合材料結晶度,同時增加了基體PVDF的相對介電常數(shù)。適量界面修飾劑的增加提高了復合材料陶瓷相的局部電場,使陶

7、瓷相極化充分,提高了復合材料的壓電和熱釋電性能。研究結果表明,當添加0.3wt％鈦酸酯偶聯(lián)劑T1-9時復合材料在界面改善的同時,熱釋電性能最優(yōu),復合材料的熱釋電系數(shù)和探測率優(yōu)值整體最大,在36℃時分別達到了95.0μC/m2℃和1.24×10-5Pa-0.5。
　　基于解決復合材料中陶瓷相極化的問題,本文通過添加納米碳粉、碳納米管導電相,研究了不同導電相含量對復合材料電導率、比熱容、介電、壓電和熱釋電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著導電相

8、的增多,復合材料的電導率逐漸增大并最終達到滲流閾值,同時隨著導電相的增多,復合材料的比熱容逐漸減小,相對介電常數(shù)和介電損耗都逐漸增大,復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。當碳納米管含量為0.9wt％時,復合材料的熱釋電性能最優(yōu),其熱釋電系數(shù)均值超過130μC/m2℃,探測率優(yōu)值也高于未摻雜復合材料,在36℃時分別達到了138.68μC/m2℃和1.63×10-5Pa-0.5。
　　最后利用復合熱釋電材料的制備溫度低