鐵電陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鐵電陶瓷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]以鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)為代表的鉍層狀鈣鈦礦陶瓷，因其具有獨特的電學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)等特性，成為一種重要的鐵電材料，在微電子器件、微機電驅(qū)動系統(tǒng)、信息存儲器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。研宄表明摻釹的鈦酸鉍(Bi4_xNdxTi3012)可以大幅提高鈦酸鉍陶瓷的剩余極化值和矯頑場值，提高材料抗電場擊穿強度。但是，目前絕大多數(shù)摻雜鈦酸鉍陶瓷常采用機械混粉結(jié)合無壓燒結(jié)的制備工藝，使得陶瓷燒結(jié)溫度高達1250°C左右，造成大量鉍元素揮發(fā)，陶瓷致密度難以達到90%及以上，導(dǎo)致陶瓷制品出現(xiàn)強度低，雜質(zhì)相含量高，漏電流大，鐵電性能差等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決現(xiàn)有摻釹的鈦酸鉍的制備方法存在產(chǎn)物雜質(zhì)相多，致密度低，鐵電性差的問題，而提供一種高致密度BUdxTi3O1^電陶瓷的制備方法。
[0004]一種高致密度Bi4_xNdxTi3012鐵電陶瓷的制備方法是按以下步驟完成的:
[0005]一、按化學(xué)通式為Bi4_xNdxTi3012，O<X〈 I的配比稱取硝酸釹、次硝酸鉍和鈦酸四丁酯；將稱取的硝酸釹和次硝酸鉍混合，然后加入冰乙酸，得到混合物，在溫度為115°C?120°C及攪拌條件下，將混合物加熱直至硝酸釹和次硝酸鉍完全溶解，然后在攪拌條件下，冷卻至60 °C?75°C，然后向混合物中加入質(zhì)量百分含量為99.5 %?99.8 %的乙二醇溶液，繼續(xù)攪拌，得到溶液A ;
[0006]所述的硝酸釹和次硝酸鉍的混合物的摩爾與冰乙酸體積比為Immol: (2?5)mL ;所述的乙二醇與冰乙酸的體積為1: (3?5)；
[0007]二、將質(zhì)量百分含量為99.5%?99.8%的乙二醇溶液加入到步驟一中稱取的鈦酸四丁醋中，在室溫下攪拌1min?20min，得溶液B ；
[0008]所述的鈦酸四丁酯與乙二醇的摩爾比為1: (2?3.5);
[0009]三、將溶液B逐滴加入溶液A中，在室溫下攪拌20min?40min，得Bi4_xNdxTi3012S膠；
[0010]四、在溫度為40 °C?45°C的條件下，將Bi4_xNdxTi3012S膠干燥96h?120h，然后將溫度由40°C?45°C升至65°C?80°C，并在65°C?80°C的溫度下，將Bi4_xNdxTi3012溶膠烘干直至干燥完全，得到干凝膠；
[0011]五、將干凝膠經(jīng)瑪瑙研缽研碎，直至干凝膠粉體能通過100目金屬篩，然后將通過100目金屬篩的干凝膠粉體置于空氣氣氛的馬弗爐內(nèi)，以5°C /min?15°C /min的升溫速率，將馬弗爐升溫至600°C?750°C，并在600°C?750°C的溫度下保溫2h?4h，然后隨爐冷卻至室溫，得到BUdxTi3O1AM^ ;
[0012]六、將Bi4-XNdJi3O1^體經(jīng)研缽研磨，直至Bi 4_xNdxTi3012粉體能通過100目金屬篩，然后將通過100目金屬篩的體裝入內(nèi)徑為15mm?30mm的柱狀高強石墨模具中，在氬氣保護氣氛和單向加壓力為1.0kN?2.5kN下，以20°C /min?25°C /min的升溫速率，將柱狀高強石墨模具升溫至980°C?1020°C，并在980°C?1020°C的溫度下保溫Ih?1.5h，然后隨爐冷卻至室溫，得到高致密度Bi4_xNdxTi3012鐵電陶瓷。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:一、首先采用溶膠凝膠法制備Bi4_xNdxTi3012納米粉體，該工藝屬于濕法化學(xué)，實現(xiàn)步驟簡單，可在分子水平上實現(xiàn)成分高度均一化，避免了機械混料方法中成分偏析問題及噪音和粉塵污染；該工藝制備Bi4_xNdxTi3012納米粉體時，煅燒晶化溫度較常規(guī)固相燒結(jié)方法低50°C?100°C，可節(jié)約能源30%以上，所得到的Bi4_xNdxTi3012m米粉體物相純凈，不存在常規(guī)方法中伴隨生成并難于去除的焦綠石相雜質(zhì)；
[0014]二、采用單向加壓的熱壓燒結(jié)方法，得到了致密度在98.5%?99.0%的高致密陶瓷，相較于常規(guī)無壓燒結(jié)，其致密度提高了 15%?20%，本發(fā)明所制備陶瓷的鐵電性能優(yōu)良，其電致回線具有良好矩形度，剩余計劃值可達5 μ C/cm2?5.7 μ C/cm2, 一般常規(guī)無壓燒結(jié)陶瓷的剩余計劃僅為3 μ C/cm2?4 μ C/cm2，本發(fā)明工藝方法適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1是實施例制備的Bi3.15NdQ.85Ti3012鐵電陶瓷的XRD譜圖；
[0016]圖2是實施例制備的Bi3.125NQ.85Ti3012鐵電陶瓷的斷口掃描照片；
[0017]圖3為實施例制備的Bi3.125NQ.85Ti3012鐵電陶瓷的電致回線圖譜。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式所述的于一種高致密度Bi4_xNdxTi3012鐵電陶瓷的制備方法是按以下步驟完成的:
[0020]一、按化學(xué)通式為Bi4_xNdxTI3O12,0〈X〈I的配比稱取硝酸釹、次硝酸鉍和鈦酸四丁酯；將稱取的硝酸釹和次硝酸鉍混合，然后加入冰乙酸，得到混合物，在溫度為115°C?120°C及攪拌條件下，將混合物加熱直至硝酸釹和次硝酸鉍完全溶解，然后在攪拌條件下，冷卻至60 °C?75°C，然后向混合物中加入質(zhì)量百分含量為99.5 %?99.8 %的乙二醇溶液，繼續(xù)攪拌，得到溶液A ;
[0021]所述的硝酸釹和次硝酸鉍的混合物的摩爾與冰乙酸體積比為Immol: (2?5)mL ;所述的乙二醇與冰乙酸的體積為1: (3?5)；
[0022]二、將質(zhì)量百分含量為99.5%?99.8%的乙二醇溶液加入到步驟一中稱取的鈦酸四丁醋中，在室溫下攪拌1min?20min，得溶液B ；
[0023]所述的鈦酸四丁酯與乙二醇的摩爾比為1: (2?3.5);
[0024]三、將溶液B逐滴加入溶液A中，在室溫下攪拌20min?40min，得Bi4_xNdxTi3012S膠；
[0025]四、在溫度為40 °C?45°C的條件下，將Bi4_xNdxTi3012S膠干燥96h?120h，然后將溫度由40°C?45°C升至65°C?80°C，并在65°C?80°C的溫度下，將Bi4_xNdxTi3012溶膠烘干直至干燥完全，得到干凝膠；
[0026]五、將干凝膠經(jīng)瑪瑙研缽研碎，直至干凝膠粉體能通過100目金屬篩，然后將通過100目金屬篩的干凝膠粉體置于空氣氣氛的馬弗爐內(nèi)，以5°C /min?15°C /min的升溫速率，將馬弗爐升溫至600°C?750°C，并在600°C?750°C的溫度下保溫2h?4h，然后隨爐冷卻至室溫，得到BUdxTi3O1AM^ ;
[0027]六、將Bi4_xNdxTi3012?體經(jīng)研缽研磨，直至Bi 4_xNdxTi3012粉體能通過100目金屬篩，然后將通過100目金屬篩的體裝入內(nèi)徑為15mm?30mm的柱狀高強石墨模具中，在氬氣保護氣氛和單向加壓力為1.0kN?2.5kN下，以20°C /min?25°C /min的升溫速率，將柱狀高強石墨模具升溫至980°C?1020°C，并在980°C?1020°C的溫度下保溫Ih?1.5h，然后隨爐冷卻至室溫，得到高致密度Bi4_xNdxTi3012鐵電陶瓷。
[0028]本實施方式步驟一中在溫度為115°C?120 °C及攪拌條件下，將混合物加熱直至硝酸釹和次硝酸鉍完全溶解，目的是在冰乙酸的沸點附近溫度加速溶解硝酸釹和次硝酸鉍的混合物。
[0029]本實施方式的有益效果是:一、首先采用溶膠凝膠法制備Bi4_xNdxTi3012納米粉體，該工藝屬于濕法化學(xué)，實現(xiàn)步驟簡單，可在分子水平上實現(xiàn)成分高度均一化，避免了機械混料方法中成分偏析問題及噪音和粉塵污染；該工藝制備Bi4_xNdxTi3012納米粉體時，煅燒晶化溫度較常規(guī)固相燒結(jié)方法低50°C?100°C，可節(jié)約能源30%以上，所得到的Bi4_xNdxTi3012納米粉體物相純凈，不存在常規(guī)方法中伴隨生成并難于去除的焦綠石相雜質(zhì)；
[0030]二、采用單向加壓的熱壓燒結(jié)方法，得到了致密度在98.5%?99.0%的高致密陶瓷，相較于常規(guī)無壓燒結(jié)，其致密度提高了 15%?20%，本發(fā)明所制備陶瓷的鐵電性能優(yōu)良，其電致回線具有良好矩形度，剩余計劃值可達5 μ C/cm2?5.7 μ C/cm2, 一般常規(guī)無壓燒結(jié)陶瓷的剩余計劃僅為3 μ C/cm2?4 μ C/cm2，本發(fā)明工藝方法適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0031]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中所述的硝酸釹和次硝酸鉍的混合物的摩爾與冰乙酸體積比為lmmol:2.5mL。其它與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟一中所述的乙二醇與冰乙酸的體積比為1: (3?3.5)。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0033]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟二中所述的鈦酸四丁酯與乙二醇的摩爾比為