專利名稱：梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種鐵電材料，具體地說是一種梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸 鉛陶瓷材料。
背景技術：
鐵電材料，是指具有鐵電效應的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料 具有優(yōu)異的性能，是具有廣泛應用前景的功能材料。鐵電材料可直接用于熱電能量轉換和 紅外探測，鐵電陶瓷材料具有成本低廉的優(yōu)點，在防火、防盜、電源開關、教學用具等方面具 有廣泛的應用價值。鐵電材料的結構和應用已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學領域最重要的 研究課題之一。已有技術鐵電材料的缺點是1、熱釋電效應線性，熱釋電系數(shù)低，一般在4 X 10-8C/K · cm2左右。2、有的鐵電材料采用凝膠注模法成型，雖然熱釋電系數(shù)高，但工藝復雜；原料中的 La2O3和CaCO3,容易吸潮，不利于保存和使用。3、La2O3稀土氧化物原料成本高。例如秦樹基等1983年2月公開的Pb(Zra68Feai4Nbai4Tiatl4)O3鐵電材料熱釋電系 數(shù)為 3. 6 (10_8C/K · cm2)；P. C. Osbond et al 等 1991 年在 Ferroelectrics，Vol. 118 上公開的組成為 Pb102 -a/10(|Sra/100 (Zr0. 58Fe0.20Nb0.20Ti0
■ 02) 0. 95^. C15O3的鐵電材料熱釋電系數(shù)為4. 9(10_8C/K · cm2)；中國專利申請?zhí)?00610019451. 5公開了姜勝林、曾亦可等發(fā)明的 Pb1TyLaxCayTiw4O鐵電材料，熱釋電系數(shù)8. 0，但是其制備工藝復雜；La2O3稀土原料成本 尚ο因此發(fā)明一種工藝簡單、成本低廉、熱釋電系數(shù)高的梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸 鉛-鈦酸鉛陶瓷材料是十分必要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、成本低廉、熱釋電系數(shù)高的梯度分布鐵電 相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛陶瓷材料，其組成為(1-x) Pb (Mgl73Nb273) 03+x PbTiO3 ；其中χ = 0. 2-0. 48 ；Mn、Al、Ce 的摻雜量為 0. 2-1. 5wt%。梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料的制備方法，步驟為(1)制備MgNb2O6 堿式MgCO3和Nb2O5反應，MgCO3和Nb2O5的摩爾比為1 1，反應 溫度950 1020°C，反應時間2 6小時；
(2)制備鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體向步驟(1)產(chǎn)物MgNb2O6中按比例加入Pb0、Ti02，反應條件680-720°C反應1 3 小時，然后820-860°C反應1 3小時；(3)將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛粉體填入模具，加壓成型；(4)燒結溫度1300 13300C，時間1 3小時；(5)被銀后極化在70-90°C硅油中，以2000-3000V/mm電場強度極化5 15分
鐘，制成梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛陶瓷材料。本發(fā)明以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系為基的新梯度鐵電材料，利用梯度結構使鐵電 相變的范圍展寬，大幅度地提高紅外探測器件的探測率；利用非線性熱釋電效應的梯度陶 瓷材料的熱釋電系數(shù)提高幅度可達到50%至150%。該二元系材料所使用的原料成本較 低，且易于保存和使用；介電系數(shù)可調，易于與讀出電路匹配，可用于熱電換能領域；可以 大幅度地提高紅外探測器件的探測率，應用于更先進的多元或焦平面紅外熱像儀中。本發(fā)明在一定寬度的溫度范圍內提高鐵電陶瓷材料的熱電轉換效率，使之成為熱 電換能材料和低成本、高性能的新型紅外敏感材料。本發(fā)明技術方案包括以下要點1、結構設計對于梯度鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛材料，將具有不同鐵電菱方相Fk-鐵電四 方相Ft相變溫度的鐵電材料平行排列或疊層排列，分別見圖1和圖2，1#、2#、3#為不同化 學組成的編號。2、組成選擇和配方組的確定選擇(1-x)Pb (Mg1/3Nb2/3)03+X 1^1103系統(tǒng)中的材料， 其中χ = 0. 2-0. 48，以不同的組成比例和摻雜調節(jié)熱釋電系數(shù)、介電常數(shù)、介電損耗和鐵電 菱方FR-鐵電四方Ft相變溫度，并使燒結溫度趨于一致。3、工藝流程以分步合成法制備具有鈣鈦礦結構的鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體，避免 燒綠石相的產(chǎn)生。即先以堿式MgCO3和Nb2O5合成MgNb2O6，合成條件為950至1020°C /4 小時。再以化學式按比例加入PbO、TiO2等原料制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛粉體，合成條件為 680-720°C /1小時，以及820-860°C /2小時。然后按常規(guī)陶瓷材料燒結工藝進行，燒結條件 為1260至1370°C /2-4小時。極化條件為硅油中60°C，以2000-3000V/mm電場強度極化 10分鐘左右。本發(fā)明的優(yōu)點是1、梯度結構的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料在超過15°C的溫度寬度內，例如70°C至 90°C的范圍內，可使熱釋電系數(shù)達到12X10_8C/K ^m2以上，比現(xiàn)有技術熱釋電陶瓷材料高 100%以上。2、熱釋電陶瓷的介電系數(shù)在1000-4000之間可調，適宜與紅外焦平面器件匹配。3、與凝膠注模成型法制備的Pb1TyLaxCayTiw4O3材料相比，本方法制備工藝簡單， 原料處理方便，成本低廉。


圖1為平行型梯度鐵電相變陶瓷材料圖。圖2疊層型梯度鐵電相變陶瓷材料圖。實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內容而 非限制本發(fā)明的保護范圍實施例1平行型梯度鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛鐵電相變陶瓷材料。鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料的各組分配方分別為(I-X) Pb (Mgl73Nb273) 03+x PbTiO3 ；χ = 0. 32(1#),0. 33(2#),0. 34 (3#)，制備該多組分非線性熱釋電 陶瓷材料的工藝為(1)制備MgNb2O6,以堿式MgCO3和Nb2O5反應，其中MgCO3和Nb2O5的投料比(摩爾 比)為1 1，反應溫度為950 1020°C，反應時間為2 6小時。(2)制備鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體，即，按化學式比例加入PbO、TiO2等原料與上述 MgNb2O6中反應，反應條件為先在680-720°C反應1 3小時，然后在820_860°C反應1 3小時。(3)先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應區(qū)域 中，然后抽去隔離片，加壓制成平行梯度型(見圖1所示)。(4)按常規(guī)陶瓷材料燒結工藝進行燒結，燒結溫度為1300 1330°C，燒結時間為 1 3小時。(5)按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70-90°C硅油中， 以2000-3000V/mm電場強度極化5 15分鐘。由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系熱釋電陶瓷材料的熱釋電系數(shù)為 12X10-8C/K cm2，介電常數(shù)為3860，在75-88°C的溫度范圍內，該材料可發(fā)生鐵電(菱力廠鐵 電(0方)相變。實施例2疊層型梯度鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛鐵電相變陶瓷材料。鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料的組分配方為(1-x) Pb (Mgl73Nb273) 03+x PbTiO3 ；χ = 0. 31 (1#)，0. 33 (2#)，0. 35 (3#)，制備該類梯 度陶瓷材料的工藝為(1)制備MgNb2O6, S卩，以堿式MgCO3和Nb2O5反應，其中MgCO3和Nb2O5的投料比(摩 爾比)為1 1，反應溫度為950 1020°C，反應時間為2 6小時。(2)制備鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體，即，按化學式比例加入PbO、TiO2, MnO2等原料與 上述MgNb2O6中反應，反應條件為先在680-720°C反應1 3小時，然后在820_860°C反應 1 3小時。(3)在將上述鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛各組分粉體先后依次填入模具中，然后加壓成型 (見圖2所示)。(4)按常規(guī)陶瓷材料燒結工藝進行燒結，燒結溫度為1310 1340°C，燒結時間為 2 4小時。(5)按常規(guī)陶瓷材料進行被銀極化，極化條件為在40-80°C硅油中，以 2000-3000V/mm電場強度極化5 15分鐘。由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛二元系熱釋電陶瓷材料的特點是起翹變形 程度小，介電損耗較小，為0. 8%，在約65-90°C的溫度范圍內，熱釋電系數(shù)為8. 5XlO-8CA
5cm2,介電常數(shù)為2320，適宜于小面積元的場合下使用。實施例3摻雜鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系陶瓷材料的組分配方為(l-X)Pb(Mg1/3Nb2/3)03+X PbTiO3, x = 0. 33，其中摻雜元素為Al (以Al2O3形式)，摻雜量分別為0. 5wt % Al2O3 (1#)、 0. 8wt% Al2O3 (2#)>1. Owt % Al2O3 (3#)，制備該梯度鐵電相變陶瓷材料的工藝為(1)按實施例1所述的鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體制備工藝制備各組分粉體。(2)先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應區(qū)域 中，然后抽去隔離片，加壓成型(見圖1所示)。(3)按常規(guī)陶瓷材料燒結工藝進行燒結，燒結溫度為1270 1300°C，燒結時間為 1 3小時。(4)按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70-90°C硅油中， 以2000-3000V/mm電場強度極化5 15分鐘。由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛陶瓷材料，燒結溫度較低，致密度高，在 65-85°C的溫度范圍內發(fā)生鐵電(菱方)_鐵電(四方)相變，熱釋電系數(shù)較高，為13X10_8C/K cm2, 介電常數(shù)為2850。適宜于對低品質熱進行循環(huán)利用。上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選例，并不用來限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則之內， 所做的任何修改和變化，均在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛 鈦酸鉛陶瓷材料，其組成為(1 x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+x PbTiO3；其中x＝0.2 0.48；MnCO3、Al2O3、CeO2的摻雜量為0.2 1.5wt％。
2.梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料的制備方法為(1)制備MgNb2O6堿式MgCO3和Nb2O5反應，MgCO3和Nb2O5的摩爾比為1 1，反應溫度 950 1020°C，反應時間2 6小時；(2)制備鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛粉體向步驟(1)產(chǎn)物MgNb2O6中按比例加入PbO, TiO2,反應條件680-720°C反應1 3小 時，然后在820-860°C反應1 3小時；(3)將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛粉體填入模具，加壓成型；(4)燒結溫度1300 1330°C，時間1 3小時；(5)被銀后極化，條件為在60-90°C硅油中，以2000-3000V/mm電場強度極化5 15 分鐘，制成梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種鐵電材料，梯度分布鐵電相變型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛陶瓷材料。已有鐵電材料的缺點是熱釋電系數(shù)低；凝膠注模法工藝復雜；La2O3稀土原料成本高。本發(fā)明陶瓷材料組成為(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+xPbTiO3；其中x＝0.2-0.48；MnCO3、Al2O3、CeO2的摻雜量為0.2-1.5wt％。制備方法為堿式MgCO3和Nb2O5反應，制備MgNb2O6；制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛粉體；將粉體填入模具，加壓成型；燒結；被銀后極化制成。本發(fā)明的優(yōu)點是熱釋電系數(shù)比現(xiàn)有熱釋電陶瓷材料高100％以上；介電系數(shù)在1000-4000之間可調；制備簡單，成本低廉。
文檔編號C04B35/495GK101948311SQ20101027853
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者劉永勤, 吳曉波, 唐艷學, 孫大志, 宮兆泉, 金國璽, 陳嶺娣, 馬麗 申請人:上海師范大學