專利名稱:具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種新型具有六層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料及其制備方法,屬于氧化物陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
磁電多鐵材料是指在某個(gè)溫區(qū)內(nèi),同時(shí)表現(xiàn)出鐵電序和鐵磁/反鐵磁序,且彼此之間存在某種耦合的材料。近來(lái),這種材料日益受到矚目,一方面因?yàn)槠洳坏梢杂迷阼F電和磁性設(shè)備的研發(fā)上,更為重要的是它能利用磁電之間的耦合,為設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供附加的一個(gè)自由度,從而在新興的自旋電子學(xué)、多態(tài)信息存儲(chǔ)、電驅(qū)動(dòng)鐵磁諧振器及磁調(diào)控壓電傳感器上表現(xiàn)出極為誘人的應(yīng)用前景。多鐵材料主要可分為復(fù)合材料和單相材料兩類。在單相材料的研究中人們發(fā)現(xiàn)由于材料的磁相變溫度通常在室溫以下,另外樣品的磁性屬反鐵磁性這對(duì)材料的實(shí)際應(yīng)用十分不利。近年來(lái)在單相多鐵材料中,具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料引起了人們的注意。層狀多鐵材料可以描述成由典型的三層層狀鐵電材料 Bi4Ti3O12 (ΒΤΟ,η = 3)與簡(jiǎn)單鈣鈦礦多鐵材料Bii^eO3 (BFO)組合而成。這類材料可以通過(guò)BTO 與不同數(shù)量的 BFO 組合可以生成 BifeTi3015(n = 4),Bi6Fe2Ti3O18(η = 5)和 Bi7Fii3Ti3O21 (η =6)等。在層狀多鐵電材料中,它們鐵電相變溫度在溫度以上,但磁性在室溫以上屬反鐵磁。但層狀多鐵材料的結(jié)構(gòu)中含BiO層可有效的降低樣品漏電流,改善樣品抗疲勞性。為了改善層狀多鐵電材料在室溫以上的多鐵性能,特別是樣品磁性能,可以通過(guò)B位磁性離子的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新型具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷,該產(chǎn)品在在室溫同時(shí)具有鐵電和鐵磁性。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種制備上述具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的方法,該工藝簡(jiǎn)單,制備設(shè)備完全可以使用常用的固相工藝陶瓷制備設(shè)備,無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造就可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明解決第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題的方案,具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的化學(xué)式為 Bi7FeCoNiTi3O2115本發(fā)明解決第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題的方案,具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷Bi7FeCoNiTi3O21的制備方法,以Bi2O3,F(xiàn)e2O3' Co2O3,Ni2O3和TiO2為原料,經(jīng)球磨、烘干、 預(yù)合成,再次球磨、烘干,之后經(jīng)成型、排塑、燒結(jié)工藝,制得BifeCoNiTi3O21,以摩爾比計(jì), Bi2O3 Fe2O3 Co2O3 Ni2O3 11 = 6 6.6 1 1 1 6。所述球磨工藝中球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇,球磨時(shí)間為23-2證。所述預(yù)合成工藝中預(yù)合成溫度為730-780°C,預(yù)合成時(shí)間為7. 5-8. 5h,預(yù)合成設(shè)備為氧化鋁坩堝。所述成型工藝條件為在所述預(yù)合成材料中加入聚乙烯醇溶液,在壓力< 15MPa的條件下成型。所述排塑工藝中排塑溫度為480-520°C,排塑時(shí)間為4. 5-5.證。所述燒結(jié)工藝中燒結(jié)溫度為940 980°C,燒結(jié)時(shí)間為4H本發(fā)明用3種具有磁性離子(M)Fe,Co和Ni作為B位離子,采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)工藝制備Bi7FeCoNiTi3O21 (Bi4Ti3012+BiFe03+BiCo03+BiNi03)六層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵電陶瓷樣品,樣品的結(jié)構(gòu)為在2個(gè)((Bi2O2)2+)層之間夾著3個(gè)Ti-O八面體,1個(gè)Fe-0,1個(gè)Co-O八面體和1個(gè)M-O八面體,并延c軸方向堆積排列,改善六層鈣鈦礦多鐵材料在常溫下的鐵磁性能。本發(fā)明具有以下有益效果(1)采用常用原料,在市場(chǎng)上容易獲得;( 與現(xiàn)行的固相燒結(jié)工藝相兼容;C3)材料在溫室下具有良好鐵電性和鐵磁性,樣品在測(cè)量電場(chǎng)為 390kV/cm時(shí),剩余極化強(qiáng)度(2P》為42 μ C/cm2 ;樣品剩余磁化率為0. 95emu/g ; (4)工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好;(5)燒結(jié)溫度低,所有原料均無(wú)毒,環(huán)境協(xié)調(diào)性好。
圖1是實(shí)施例2制得的樣品的X射線圖;圖2是實(shí)施例2制得的樣品掃描電鏡照片;圖3是實(shí)施例2制得的樣品鐵電性能測(cè)量結(jié)果圖;圖4是實(shí)施例2制得的樣品磁性能測(cè)量結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法(1)以Bi2O3, !^e2O3, Co2O3, Ni2O3和TW2為原料,原料均采用國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司產(chǎn)品,以摩爾比計(jì),Bi2O3 Fe2O3 Co2O3 Ni2O3 TiR = 6 6. 6 :1:1:1:6;(2)步驟(1)的原料以無(wú)水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨,球磨時(shí)間為23-2 ,球磨混合后進(jìn)行烘干,烘干溫度為110°C ;(3)將步驟O)中烘干后的原料裝入氧化鋁坩堝內(nèi),輕輕壓緊,置于空氣中,在 730-780°C預(yù)合成 7. 5-8. 5h ;(4)步驟(3)得到的預(yù)合成材料以無(wú)水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行再次球磨,球磨時(shí)間為 23-2 ,球磨混合后進(jìn)行烘干,烘干溫度為110°C ;(5)步驟(4)烘干后的產(chǎn)品中加入聚乙烯醇溶液,在壓力彡15MPa的條件下成型, 制成圓柱體樣品,樣品尺寸為0 12 mm χ 2 mm;成型后的產(chǎn)品在480-520°C進(jìn)行排塑處理,排塑時(shí)間為4. 5-5. 5h ;(6)將步驟(5)排塑過(guò)的產(chǎn)品于940 980°C燒結(jié)4- ,制得具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷,該陶瓷的化學(xué)式為Bi7FeCoNiTi3O21。實(shí)施例2一、樣品原料的準(zhǔn)備選用分析純氧化鉍(Bi2O3)、分析純?nèi)趸FO^e2O3)、分析純?nèi)趸?(Co2O3),分析純?nèi)趸?Ni2O3)和光譜純氧化鈦(TiO2)為原料,原料均采用國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司產(chǎn)品,原料在稱取之前先在烘箱中110°C溫度下烘烤8小時(shí)。二、BifeCoNiTi3O21 多晶樣品的制備(1)原料稱取按化學(xué)配比稱取分析純氧化鉍(Bi2O3)、分析純?nèi)趸F(Fe2O3)、 分析純?nèi)趸?Co2O3)和BTO粉末樣品,具體重量如表(1)。表1 制備 BifeCoNiTi3O21 的原料
權(quán)利要求
1.具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷,其特征在于,該陶瓷的化學(xué)式為 Bi7FeCoNiTi3O210
2.如權(quán)利要求1所述的具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,以Bi2O3,F(xiàn)e2O3, Co2O3,Ni2O3和TiO2為原料,經(jīng)球磨、烘干、預(yù)合成, 再次球磨、烘干,之后經(jīng)成型、排塑、燒結(jié)工藝,制得Bi7FeCoNiTi3O21,以摩爾比計(jì), Bi2O3 Fe2O3 Co2O3 Ni2O3 11 = 6 6.6 1 1 1 6。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,所述球磨工藝中球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇,球磨時(shí)間為23-2 !。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多鐵性能五層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,所述預(yù)合成工藝中預(yù)合成溫度為730°C 780°C,預(yù)合成時(shí)間為7. 5 8. 5h,預(yù)合成設(shè)備為氧化鋁坩堝。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,所述成型工藝條件為在所述預(yù)合成材料中加入聚乙烯醇溶液,在壓力< 15MPa的條件下成型,制得圓柱形樣品。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,所述排塑工藝中排塑溫度為480 520°C,排塑時(shí)間為4. 5 5.證。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,其特征是,所述燒結(jié)工藝中燒結(jié)溫度為940 980°C,燒結(jié)時(shí)間為4 他。
全文摘要
具有多鐵性能六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷,其化學(xué)式為Bi7FeCoNiTi3O21。具有多鐵性能的六層狀結(jié)構(gòu)鈦鐵鈷鎳酸鉍陶瓷的制備方法,以Bi2O3,F(xiàn)e2O3,Co2O3,Ni2O3和TiO2為原料,經(jīng)球磨、烘干、預(yù)合成,再次球磨、烘干,之后經(jīng)成型、排塑、燒結(jié)工藝,制得Bi7FeCoNiTi3O21,以摩爾比計(jì),Bi2O3∶Fe2O3∶Co2O3∶Ni2O3∶TiO2=6~6.6∶1∶1∶1∶6。該工藝采用常規(guī)固相燒結(jié)法,制備工藝簡(jiǎn)單,環(huán)境協(xié)調(diào)性好。Bi7FeCoNiTi3O21在室溫同時(shí)具有鐵電和鐵磁性,測(cè)量電場(chǎng)為390kV/cm時(shí),剩余極化強(qiáng)度(2Pr)為42μC/cm2,樣品剩余磁化率為0.95emu/g。
文檔編號(hào)C04B35/475GK102515749SQ201110411158
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者孫慧, 楊文露, 毛翔宇, 王偉, 陸亞林, 陳小兵, 陳春燕 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)