[科普中國]-熱釋電陶瓷

熱釋電陶瓷具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料。這類材料晶體結(jié)構(gòu)中存在著與其極軸不相同的惟一極軸(極化軸)時，才有可能因熱膨脹而引起總的電矩的變化，出現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。常見的熱釋電陶瓷有：欽酸鉛、鍺酸鉛、錠酸銘鋇和錯欽酸錯斕等。這類陶瓷經(jīng)過強直流電場的極化處理后，能從各向同性體變成各向異性體，并具有剩余極化，就能像單晶體一樣顯現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。陶瓷材料易于加工，成本低，且性能易于改性。是一類很有前途的材料?？捎糜谥谱鳠後岆娞綔y器、熱釋電顯像管和熱釋電照相機等。

熱釋電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能晶體因溫度變化( ΔT)而導(dǎo)致自發(fā)極化的變化( ΔPs)，并在晶體的一定方向上引起表面電荷改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)的強弱可用熱釋電系數(shù)來表示：ΔPs= PΔT

上述可知，晶體中存在熱釋電效應(yīng)的首要條件是具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)的某些方向的正、負(fù)電荷重心不重合(存在固有電矩)；其次有溫度變化，熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變化狀態(tài)下的性能。

熱釋電晶體可分為兩類：一類是具有自發(fā)極化，但自發(fā)極化不能為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體；另一類是自發(fā)極化可為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體，即鐵電晶體。這些鐵電晶體中的大多數(shù)可制成多晶陶瓷，經(jīng)強直流電場的極化處理后，由各向同性體變成各向異性體，并具有剩余極化，可像單晶體一樣呈現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。在居里溫度附近，自發(fā)極化急劇下降，而遠低于居里溫度Te時，自發(fā)極化隨溫度的變化相對比較??；這意味著，在居里溫度附近，熱釋電晶體具有較大的熱釋電效應(yīng)。

熱釋電系數(shù)除與溫度有關(guān)外，還與晶體所處狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)晶體處于夾持狀態(tài)時，由于晶體受熱后尺寸和形狀不變，所以稱這種狀態(tài)下的熱釋電系數(shù)為恒應(yīng)變熱釋電系數(shù)或一級熱釋電系數(shù)，以P表示。應(yīng)當(dāng)注意到，在溫度變化時，不但使系統(tǒng)的嫡值變化產(chǎn)生自發(fā)極化的變化，而且會因溫度變化造成應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力，通過正壓電效應(yīng)又使晶體的自發(fā)極化發(fā)生變化，這類熱釋電系數(shù)稱為二級熱釋電系數(shù)，以Pi表示。所以在恒定應(yīng)力下測得的總熱釋電系數(shù)P應(yīng)由兩部分組成。1

熱釋電陶瓷的要求陶瓷材料在紅外線照射下具有明顯的熱釋電效應(yīng)。用這類材料可以制成紅外線鐓感器件，以物體輻射的紅外線作為熱源，對物體進行非接觸測量。作為紅外線敏感器件的熱釋電材料，應(yīng)滿足以下要求：

(1)能充分吸收人射紅外線；

(2)體積比熱容小、體積小，以保證吸收單位熱能后有大的溫升；

(3)熱釋電系數(shù)大；

(4)隨表面電荷變化相應(yīng)的電容要小，以使之有大的電壓輸出。2

熱釋電陶瓷的特點熱釋電陶瓷PbTiO3和PZT是已實用化的材料。純PbTiO3難燒結(jié)，燒結(jié)時必須摻入Bi2/3TiO3PbZny/zNb23O3 ,或添加la2O3和MnO2晚組合物。熱釋電陶瓷紅外線敏感器件的特點有：

(1) 非接觸檢測、靈 敏度高、檢測溫度范圍寬(-80~150℃)；

(2)能在常溫下工作；

(3)響應(yīng)快。2

熱釋電陶瓷的應(yīng)用熱釋電效應(yīng)是指某些晶體或陶瓷受到外部溫度變化的影響時，會在某一方向的表面產(chǎn)生電荷的一種現(xiàn)象，根據(jù)表面電荷的多少可以判斷出物體溫度的高低。與壓電陶瓷的制備過程類似,熱釋電陶瓷在成型、燒結(jié)、拋光之后，也需要在一定溫度下加一直流電場極化，使得熱釋電陶瓷中晶粒的極軸取向一致。鈦酸鉛和摻鑭鈦鋯酸鉛是兩種常見的熱釋電陶瓷。利用熱釋電效應(yīng)，人們制成了不接觸測溫溫度計。在冶金工業(yè)中，可以從遠處測量鋼水等高溫物質(zhì)的溫度。在醫(yī)學(xué)上，人們制成了不接觸人體成像設(shè)備，只要病人在儀器前一站,就可以從電腦屏幕上看出人體輪廓及發(fā)生炎癥的部位(因為發(fā)生炎癥部位的溫度比其他部位的溫度高)，從而可以幫助醫(yī)生診斷疾病。

熱釋電材料在軍事上也有非常重要的應(yīng)用。人們發(fā)明了紅外夜視儀，從夜視儀的屏幕上，戰(zhàn)士可以清楚地看到遠方的敵人，以及遠處運動中的汽車、坦克等機械裝置。道理很簡單,因為人體及發(fā)動機都是發(fā)射紅外線的熱源。人們還利用熱釋電材料發(fā)明了導(dǎo)彈制導(dǎo)裝置。在導(dǎo)彈頭部安裝一個熱釋電器件，導(dǎo)彈發(fā)射后就會追隨目標(biāo)飛行(因為飛機發(fā)動機及其排氣口都是能輻射紅外線的熱源)，直至擊中目標(biāo)。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)