一種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法
【專利摘要】一種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法，通過配料的混合、溶解，并添加相應的催化劑或絡合劑，經干燥、熱解、研磨、預燒、燒制后得到成品，本發明燒結溫度低，易于實施，且制得的電介質陶瓷純度高、品相好，綜合性能優良。
【專利說明】一種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種介電陶瓷的制備方法，具體的說是涉及一種新型多鐵電介質陶瓷 的制備方法。

【背景技術】
[0002] 多鐵性材料是一類同時具有多種有序相的材料，其豐富的物理和在多功能電子器 件方面的巨大潛在應用吸引了人們很多的注意力。TbMn 205作為一個代表，是多鐵性材料家 族中重要的一員，它表現出豐富的相圖和很多新穎有趣的物理現象，如巨磁介電效應、磁致 電極化反轉效應等。外加電場可以誘發鐵磁性、鐵電性，存在乘積關系的磁電效應。這類 材料的鐵電相變溫度在27K左右，反鐵磁相變溫度在45K左右，人們主要關注其電、磁性能 (J. T Han et al, J. ACS. 2006, 128, 14454; L. C. Chapon et al, PRL. 2004, 93, 177402)。然而TbMn205作為一種電介質陶瓷材料的制備工藝及其介電性能還未被研究。


【發明內容】

[0003] 本發明為了解決上述技術問題，提供一種型多鐵電介質陶瓷的制備方法，該制備 方法燒結溫度低，易于實施，且制得的電介質陶瓷純度高、品相好，綜合性能優良。
[0004] 本發明所采用的技術方案是：一種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法，包括以下步 驟： 步驟一、按照金屬離子Tb和Μη的摩爾比為1:2的比例稱取Tb407和Mn (CH3C00)2 ·4Η20 為原料，將上述兩種原料分別溶解在2 mol/L的稀硝酸溶液和去離子水中，然后將這兩種溶 液混合并通過磁力攪拌機攪拌均勻，加去離子水將溶液中Tb離子的濃度調至0. 2mol/L，繼 續攪拌4h后，備用； 步驟二、向步驟一得到的溶液中加入與溶液中金屬離子總量等摩爾量的C6H807 · H20，攪 拌24h，然后用氨水將溶液PH值調至3. 5,將得到的溶液通過120°C油浴蒸發制得蓬松塊狀 固體，將所得塊狀固體研磨成粉末狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C發生自蔓延燃燒進行除 膠，得到除膠后的剩余粉體再升溫至500°C保溫6h，制得混合粉料備用； 步驟三、將上述混合粉料裝入瑪瑙球磨罐中，并加入二氧化硅和氧化鎂混合氧化物，力口 入量為混合粉料總質量的萬分之一，以無水乙醇作為介質球磨時間24 h，將球磨好的漿料 80 °C下烘干并分離出粉料后，在瑪瑙研缽中研磨3 h，最后裝入氧化鋁坩堝在空氣中于900 進行預燒，預燒時間為5 h ; 步驟四、將步驟三預燒好的粉末再次裝入瑪瑙球磨罐中按照步驟三的方法進行球磨、 研磨和預燒處理； 步驟五、將步驟四得到的粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質量濃度為10%的聚乙烯醇溶 液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質量的5%，研磨研磨2 h后在80°C下烘干，過120目篩后 備用； 步驟六、將步驟五所得粉末在40 MPa壓強下壓成半徑為10 mm厚度為2 mm的坯體， 然后放入氧化鋁坩堝中加入墊料在空氣中燒結，升溫速率為5 °C/min，升溫至500 °C時排 塑3 h，然后繼續升溫至1100 °C，保溫6h后，將溫度以l°C/min的速率降至950°C，停止加 熱，隨爐冷卻至室溫，即制得多鐵電介質陶瓷。
[0005] 所述 Tb407、Mn (CH3C00) 2 · 4H20、C6H807 · Η20、ΝΗ3 · H20 和 HN〇3 為分析純。
[0006] 本發明的有益效果： (1) 本發明采用溶膠凝膠法合成TbMn205陶瓷，與傳統方法相比大為降低了材料的燒結 溫度，同時易于實施，該工藝制作成本低廉，使得TbMn 205電介質陶瓷制備的批量化生產成 為可能； (2) 本發明所得TbMn205電介質陶瓷成品純度高，顆粒分布窄，顆粒團聚程度低，品相 好，綜合性能優良； (3) 本發明通過添加二氧化硅和氧化鎂的混合氧化物，不僅提高了產品的致密度，而且 使得TbMn205陶瓷的介電常數有所增加，其介電損耗明顯降低，使得其介電性能得到了改 善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1為850°C預燒后的TbMn205粉末的X射線衍射圖譜； 圖2為900°C預燒后的TbMn205粉末的X射線衍射圖譜； 圖3為燒結溫度1KKTC時制得的TbMn205陶瓷的掃描電鏡圖； 圖4為1KKTC下燒結的未加入微量氧化物的TbMn205陶瓷在不同頻率下介電常數隨溫 度的變化圖； 圖5為1KKTC下燒結的加入微量氧化物的TbMn205陶瓷在不同頻率下介電常數隨溫度 的變化圖； 圖6為1KKTC下燒結的未加入氧化物的TbMn205陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的 變化圖； 圖7為1KKTC下燒結的加入微氧化物的TbMn205陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的 變化圖。

【具體實施方式】
[0008] 下面通過【具體實施方式】對本發明進行進一步說明。
[0009] -種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法，包括以下步驟： 步驟一、按照金屬離子Tb和Μη的摩爾比為1:2的比例稱取純度為99. 99%的Tb407和 純度為99. 5% Mn(CH3C00)2 · 4H20為原料，將上述兩種原料分別溶解在2 mol/L的稀硝酸溶 液和去離子水中，然后將這兩種溶液混合并通過磁力攪拌機攪拌均勻，加去離子水將溶液 中Tb離子的濃度調至0. 2mol/L，繼續攪拌4h后，備用； 步驟二、向步驟一得到的溶液中加入與溶液中金屬離子總量等摩爾量的C6H807 ·Η20，攪 拌24h，然后用氨水將溶液PH值調至3. 5,將得到的溶液通過120°C油浴蒸發制得蓬松塊狀 固體，將所得塊狀固體研磨成粉末狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C發生自蔓延燃燒進行除 膠，得到除膠后的剩余粉體再升溫至500°C保溫6h，制得混合粉料備用； 步驟三、將上述混合粉料裝入瑪瑙球磨罐中，并加入二氧化硅和氧化鎂混合氧化物，力口 入量為混合粉料總質量的萬分之一，其中二氧化硅和氧化鎂以任意比例混合，以無水乙醇 作為介質球磨時間24 h，將球磨好的漿料80 °C下烘干并分離出粉料后，在瑪瑙研缽中研磨 3 h，最后裝入氧化鋁坩堝在空氣中于900 °C進行預燒，預燒時間為5 h; 步驟四、將步驟三預燒好的粉末再次裝入瑪瑙球磨罐中按照步驟三的方法進行球磨、 研磨和預燒處理； 步驟五、將步驟四得到的粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質量濃度為10%的聚乙烯醇溶 液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質量的5%，研磨研磨2 h后在80°C下烘干，過120目篩后 備用； 步驟六、將步驟五所得粉末在40 MPa壓強下壓成半徑為10 mm厚度為2 mm的坯體， 然后放入氧化鋁坩堝中加入墊料在空氣中燒結，升溫速率為5 °C/min，升溫至500 °C時排 塑3 h，然后繼續升溫至1100 °C，保溫6h后，將溫度以l°C/min的速率降至950°C，停止加 熱，隨爐冷卻至室溫，即制得多鐵電介質陶瓷。
[0010] 步驟七、將步驟六得到的多鐵電介質陶瓷用金相砂紙打磨、拋光、用丙酮溶液超生 清洗； 步驟八、將清洗好的陶瓷用磁控濺射儀在其上下表面分別濺射鉬電極，其中濺射頂電 極采取掩模板遮擋濺射，頂電極面積7. 065 _，形成金屬-絕緣體-金屬平行板電容器結 構，即得到成品。
[0011] 所述 Tb407、Mn (CH3C00) 2 · 4H20、C6H807 · Η20、ΝΗ3 · H20 和 ΗΝ03 為分析純。
[0012] 步驟五種所使用聚乙烯醇溶液為聚乙烯醇粉末和去離子水配制，其質量分數為 10% ;步驟八中磁控濺射所使用儀器為JGP-350型高真空多靶磁控濺射儀，濺射真空度為 0. 003 Pa，濺射功率為70 W，濺射時間為5 min。
[0013] 步驟三中，TbMn205粉末在900 °C預燒，900°C，預燒溫度過高時會使得粉末顆粒過 大，從而會使后續壓坯困難；而預燒溫度過低時易出現雜相，從圖1可以看出，850 °C下預 燒TbMn205有雜相，如圖2所示900°C預燒TbMn20 5粉末的X射線衍射圖譜，能較好的去除雜 相。從圖2看出在900 °C下預燒的TbMn205粉末純相結構。因此TbMn205粉末的最佳預燒 溫度為900 °C。
[0014] 陶瓷材料在制作過程中，其燒結溫度不可過高，燒結溫度過高時會使得燒出的成 品變形，溫度過高不但造成能源浪費，而且會使得燒出陶瓷樣品變形。圖3為1100 °C下燒 結的TbMn205陶瓷的掃描電鏡圖（SEM)，可以看出在1100 °C燒結的TbMn205陶瓷達到較好的 致密化。通過圖2可以看出在1100 °C下燒結TbMn205陶瓷為純相。因此，TbMn205陶瓷的 最佳燒結溫度為1100 °C。
[0015] 步驟三中，按照TbMn205分子式化學計量比采用溶膠凝膠法制得混合粉料，并加入 微量二氧化硅和氧化鎂等氧化物，對于電介質陶瓷人們一直期望高介電，低損耗。圖4和5 分別為微量的氧化鈣、二氧化硅和氧化鎂等氧化物加入前和加入后TbMn 205陶瓷不同頻率 下介電常數隨溫度的變化（ll〇〇°C下燒結）；圖6和圖7分別為微量氧化物加入前和加入后 TbMn205陶瓷不同頻率下介電損耗隨溫度的變化（1100°C下燒結)。從圖可以看出，加入微量 氧化物，不但使得TbMn 205陶瓷的介電常數略有增加，而且使得其介電損耗明顯降低。因此， 加入二氧化硅和氧化鎂混合氧化物，可以使TbMn 205陶瓷介電性能得到改善。
[0016] 步驟五中，通過在300°C發生自蔓延反應進行除膠，有效去除產品雜質，提高產品 品質，經除膠后的粉體升溫500°C保溫6h能夠有效提高混合粉體晶化效果。
【權利要求】
1. 一種新型多鐵電介質陶瓷的制備方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟一、按照金屬離子Tb和Μη的摩爾比為1:2的比例稱取Tb407和Mn (CH3COO)2 ·4Η20 為原料，將上述兩種原料分別溶解在2 mol/L的稀硝酸溶液和去離子水中，然后將這兩種溶 液混合并通過磁力攪拌機攪拌均勻，加去離子水將溶液中Tb離子的濃度調至0. 2mol/L，繼 續攪拌4h后，備用； 步驟二、向步驟一得到的溶液中加入與溶液中金屬離子總量等摩爾量的C6H807 · H20，攪 拌24h，然后用氨水將溶液PH值調至3. 5,將得到的溶液通過120°C油浴蒸發制得蓬松塊狀 固體，將所得塊狀固體研磨成粉末狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C發生自蔓延燃燒進行除 膠，得到除膠后的剩余粉體再升溫至500°C保溫6h，制得混合粉料備用； 步驟三、將上述混合粉料裝入瑪瑙球磨罐中，并加入二氧化硅和氧化鎂的混合氧化物， 加入量為混合粉料總質量的萬分之一，以無水乙醇作為介質球磨時間24 h，將球磨好的漿 料80 °C下烘干并分離出粉料后，在瑪瑙研缽中研磨3 h，最后裝入氧化鋁坩堝在空氣中于 900 °C進行預燒，預燒時間為5 h; 步驟四、將步驟三預燒好的粉末再次裝入瑪瑙球磨罐中按照步驟三的方法進行球磨、 研磨和預燒處理； 步驟五、將步驟四得到的粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質量濃度為10%的聚乙烯醇溶 液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質量的5%，研磨研磨2 h后在80°C下烘干，過120目篩后 備用； 步驟六、將步驟五所得粉末在40 MPa壓強下壓成半徑為10 mm厚度為2 mm的坯體， 然后放入氧化鋁坩堝中加入墊料在空氣中燒結，升溫速率為5 °C/min，升溫至500 °C時排 塑3 h，然后繼續升溫至1100 °C，保溫6h后，將溫度以l°C/min的速率降至950°C，停止加 熱，隨爐冷卻至室溫，即制得多鐵電介質陶瓷。
【文檔編號】C04B35/622GK104150902SQ201410346629
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】張超, 王曉飛, 康大偉, 王趙武, 帥小敏, 李立本 申請人:河南科技大學