[發明專利]一種基于溶膠凝膠法制備鈦酸銅鉍鈉介電材料的方法

在審

• 申請號: 201710901002.1
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107739202A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 李玲霞;李江騰;張寧;蔡朝陽;盧特
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/462
• 分類號: C04B35/462;C04B35/624;C04B35/626;C04B35/622
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 張宏祥

技術領域

本發明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種使用改進的溶膠凝膠法合成巨介電常數的鈦酸銅鉍鈉(Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂)陶瓷介電材料的合成方法。

背景技術

近幾十年來，微電子產業已成為各國國民經濟的重要支柱。縱觀微電子技術發展的過程，電子元器件的集成化、小型化和高速化是微電子技術發展的主要驅動力。電介質材料是電子和微電子器件中的核心材料，如動態存儲器(Dynamic random access memory，即DRAM)和多層陶瓷電容器(Multilayer ceramic capacitor，即MLCC)等，因此，高介電常數材料已成為在這些領域中具有巨大應用潛力的材料。

近十年來，一些具有巨介電常數的非鐵電材料引起了人們的廣泛關注，如Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂、Pr_0.6Ca_0.4MnO₃、AFe_1/2B_1/2O₃(A＝Ba,Sr,Ca；B＝Nb,Ta,Sb)。尤其是2000年M.A.Subramanian等人發現具有鈣鈦礦結構的CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)。在低頻下，其介電常數在12000左右，并在很寬的溫度范圍內介電常數數值幾乎不變，使其在高密度能量存儲和高介電電容器等器件中蘊藏著巨大的應用潛力。直到2006年，Matthew C.Ferrarelli等人發現Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂(NBCTO)陶瓷的介電常數在-173～127℃也達到了10⁴，而NBCTO陶瓷具有更低的燒結溫度和更低的介電常數，因此對于NBCTO巨介電材料的研制，具有十分重要的實際意義。

選擇適當的制備方法是改善陶瓷介電性能的有效途徑之一。據文獻報道，NBCTO巨介電材料陶瓷的制備方法主要有：固相法、溶膠-凝膠法、共沉淀法、聚合絡合法和熔鹽法等。合成陶瓷粉體最常用的方法是固相法，該方法成本低，設備和操作簡單，但是其方法制備的陶瓷粉體均勻性差，純度低，燒結溫度高。此外，溶膠-凝膠法已廣泛報道應用于陶瓷材料的合成，溶膠-凝膠法以有機醇鹽、無機鹽混合溶液為原料，經過溶膠、凝膠、凝膠干燥和焙燒等步驟，得到特定晶型的納米粉體。此類方法制備出來的陶瓷粉體具有燒結溫度更低，燒結后陶瓷的致密度更高等優點，有利于降低陶瓷的損耗和提高介電常數。

發明內容

本發明的目的，在于使用一種改進的溶膠-凝膠法制備鈦酸銅鉍鈉納米粉體，以價格相對低廉的硝酸鹽代替成本較高的醋酸鹽，同時利用納米粉體較高的反應活性促進其降低燒結溫度，并優化陶瓷材料的性能，以達到降低合成鈦酸銅鉍鈉巨介電材料生產成本的目的。

本發明通過如下技術方案予以實現。

一種基于溶膠凝膠法制備鈦酸銅鉍鈉介電材料的方法，具有如下步驟：

(1)配制溶液1：將鈦酸酯和硝酸鉍按照10:1的摩爾比，在加入乙酰丙酮作為穩定劑的情況下溶解于乙二醇中，其中乙二醇：酞酸丁酯：乙酰丙酮的體積比約為10:10:1。

(2)配制溶液2：按照Na:Bi:Cu:Ti摩爾比為1:1:6:8的比例，即Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂的化學計量比，將硝酸鈉、硝酸鉍和硝酸銅溶于檸檬酸的水溶液。

所述檸檬酸和水的質量比為1:2，再于80℃蒸發水份至溶液體積不再變化；

(3)將溶液1和溶液2混合，充分攪拌后85℃水浴8小時，使兩種溶液充分混合并且反應完全，得到凝膠。

(4)將步驟(3)的凝膠置于250℃～450℃下使其發生自蔓延燃燒反應，從而得到鈦酸銅鉍鈉納米粉料。

(5)在將步驟(4)的粉料添加1.5％的聚乙烯醇作為粘合劑，混合后放入球磨罐中，加入氧化鋯球和去離子水，球磨9～12小時后烘干過80目篩進行造粒，再用粉末壓片機壓制成坯體；