[發明專利]一種多鐵性單相鐵酸鉍陶瓷的制備方法

無效

• 申請號: 201110086983.1
• 申請日: 2011-04-08
• 公開（公告）號: CN102225865A
• 公開（公告）日: 2011-10-26
• 發明（設計）人: 曹傳寶;姚銳敏
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C04B35/26
• 分類號: C04B35/26;C04B35/622
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種多鐵性單相鐵酸鉍陶瓷的制備方法，屬于材料科學技術領域。

背景技術

多鐵性材料由于其同時具有鐵電性(反鐵電性)、鐵磁性(反鐵磁性)、鐵彈性等物理性質，在外加場(電場、磁場、力場)的作用下，不同種類的特性之間會發生耦合。比如，可以通過電場控制材料的磁化或是通過磁場控制材料的極化。這種多重鐵性之間的耦合使得此類材料在新型器件領域存在著重要的應用前景，如非揮發的存儲器、換能器、探測器等等。不過，這些多功能器件都需要強耦合，而天然材料所表現出來的多重鐵性并不是很明顯，并且很多只在很低的溫度下才能同時具有鐵電和鐵磁性。

作為研究最為廣泛的一種多鐵性單相材料，鐵酸鉍(BiFeO₃)具有高的居里轉變溫度(T_C＝1103K)和尼爾轉變溫度(T_N＝643K)，是目前極少數在室溫條件下同時具有鐵電性與寄生弱鐵磁性的材料。BiFeO₃的鐵電性來源于其斜方六面體的扭曲變形，寄生弱鐵磁性來自于其空間調制的螺旋磁結構，距[110]方向有所偏移，螺旋周期為62nm。雖然BiFeO₃本身為反鐵磁體，但由于其自身結構的相容調制，使得BiFeO₃晶體內部的反鐵磁序并不均一，從而在室溫下可以呈現弱的鐵磁性。若可以打破它的螺旋周期長度，如其顆粒尺寸小于62nm時，鐵酸鉍將會呈現出較強的室溫鐵磁性。

對于鐵酸鉍陶瓷而言，制備出單相、絕緣性好、具有優良鐵電性質的陶瓷已是相當困難，而在此基礎上還能在室溫下表現出鐵磁性則是更為困難，因為在陶瓷燒結后，其顆粒一般都會長大，從而遠超過62nm的螺旋周期，使得鐵酸鉍陶瓷在室溫下難以表現出鐵磁性，即磁滯回線為斜率為正的直線。公開號CN1313414C的國內發明專利公開了一種淬火法制備單相鐵酸鉍陶瓷的方法，所得到的鐵酸鉍陶瓷在室溫下具有2P_r＝23.6μC/cm²的剩余極化強度，室溫下仍呈現反鐵磁性。申請號為200910113124.X的國內發明專利公布了一種鐵磁性鐵酸鉍及其合成方法，得到了在室溫下具有很強磁性的鐵酸鉍粉體，同時由其所制備的陶瓷只具有很弱的鐵電性2P_r＝0.34μC/cm²。在國際上公開的報道中，鐵酸鉍陶瓷仍然難以在室溫下同時表現出較強的鐵磁性和高的極化強度，如[1]Chenet?al.Applied.Physics.Letters.89，092910(2006)和[2]Su?et?al.Applied.Physics.Letters.91，092905(2007)。這兩個報道雖然都顯示鐵酸鉍陶瓷具有較高的剩余極化強度[1]2P_r＝56μC/cm²[2]2P_r＝46μC/cm²，但是二者的陶瓷在室溫下仍然是反鐵磁性。因此，在室溫下獲得具有良好鐵磁性和鐵電性的鐵酸鉍陶瓷，仍然是亟待解決的問題。此外，公開號CN?1313414C的國內發明專利和文獻[1]、[2]的鐵酸鉍陶瓷燒結溫度都在800℃以上，燒結的時間常需要幾個小時。燒結溫度的提高和燒結時間的延長，不僅會使得低熔點的鉍元素損失嚴重，還極易出現其他的物相使得陶瓷不純，增加了電能的損耗。在陶瓷粉體的制備方面，傳統工藝需經過較長時間的球磨得到粉體，增加了工藝步驟和設備的投入，成本較高。

發明內容

本發明的目的是解決螺旋周期長度大于62nm的問題，從而提出了一種多鐵性單相鐵酸鉍陶瓷的制備方法，使鐵酸鉍陶瓷燒結后的織構由粒徑小于62nm的納米顆粒組成。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明的一種多鐵性單相鐵酸鉍陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

(1)將鉍和鐵的硝酸鹽或氯化物加熱溶解于乙二醇中形成均勻的溶膠；

(2)將步驟(1)中的溶膠進行干燥，得到干凝膠；

(3)將步驟(2)中的干凝膠研磨后進行兩次預燒處理，得到鐵酸鉍前驅物粉體；

(4)將步驟(3)中的鐵酸鉍前驅物粉體進行造粒，并壓制成片，得到鐵酸鉍陶瓷坯體；

(5)將步驟(4)中的鐵酸鉍陶瓷坯體進行低溫燒結，得到單相鐵酸鉍陶瓷。

上述步驟(1)中使用的原料鉍和鐵的鹽包括硝酸鹽或氯化物，按照Bi∶Fe摩爾比為1∶1-1.1∶1加熱溶解于乙二醇中，所得溶膠濃度范圍0.3-0.5mol/L。

上述步驟(2)中干燥溶膠的溫度為80-120℃，干燥后得到干凝膠。