CN100522873C - 一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷领域。本发明按化学式ABi_2-xRe_xNb₂O₉配方，A为Sr或Ca，Re为Pr或La，0＜x＜1，烧结温度为1100-1250℃，保温时间为1-2小时，制备出了一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料，该无铅弛豫铁电陶瓷材料可应用于高压电容器、压电陶瓷滤波器以及压电陶瓷振荡器等领域。

Description

一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷领域。

背景技术

铋层状结构材料，由于具有居里温度高、介电常数低、老化率低、介电击穿强度高、谐振频率的温度稳定性好、机械品质因数较高以及抗疲劳性能好等特点，并且可以制备出无铅材料。由于该材料这些特点，使其在高温、高频以及非挥发性随机存储器领域具有广阔的应用前景，近年来引起了国内外研究者的广泛关注。但是，铋层状材料存在着矫顽场大、剩余极化强度小以及其高温电导率大而易造成高温失效等缺点。

弛豫铁电陶瓷材料也是近年来研究关注的重点，在技术上具有广泛的应用，但目前研究的弛豫铁电体主要是单纯钙钛矿结构的，并且大多数含铅，因此，研发新型无铅弛豫铁电材料具有重要的应用价值。近年来，人们在对铋层状结构材料进行掺杂改性时，发现了材料的介电弛豫行为。

长期以来，研究者认为铋层状结构材料中类钙钛矿层中的A、B位易于掺杂或取代，而Bi₂O₂层则是不可改变的。目前有关Bi₂O₂层中的Bi位取代制备材料并对该材料结构和介电性能影响的研究还尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于利用Re(Re＝La或Pr等)对ABi₂Nb₂O₉(A＝Sr或Ca)的Bi₂O₂层中Bi位进行取代改性，制备一种新型的铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料。

本发明通过下述方案来加以制备的。

按化学式ABi_2-xRe_xNb₂O₉配方，A为Sr或Ca，Re为Pr或La，0<x<1，原料可选用碳酸锶或硝酸锶、碳酸钙或氢氧化钙、氧化铋、五氧化二铌、氧化镧和氧化谱。

选用去离子水作为弥散剂，在球磨罐中粗磨8-24小时，出料并干燥，将粉料在40-80MPa的压力压成块，以1-5℃/min的升温速度升至700-1000℃，保温1-2小时进行预合成。将合成的料块破碎后过筛，仍以去离子水为弥散剂再细磨8-24小时，然后干燥。向粉料中加入聚乙烯醇粘结剂，过筛造粒，在100-300MPa压力下成型。将成型后的坯体在700-1000℃下保温1-2小时(升温速率为1-5℃/min)进行排塑，然后以升温速率为1-5℃/min，1100-1250℃的烧结温度下坩埚密闭烧结，保温时间为1-2小时。被银电极后进行测试。

本发明通过ABi₂Nb₂O₉(A＝Sr或Ca)的Bi₂O₂层中Bi位Re(Re＝La或Pr等)取代，成功制备了一种新型的无铅铋层状结构弛豫铁电材料。

该材料表现出的高温介电性能，使其可应用于高压电容器、压电陶瓷滤波器以及压电陶瓷振荡器等领域

附图说明

图1为SrBi_1.65La_0.35Nb₂O₉弛豫铁电陶瓷的在不同频率下的介电常数图谱。

图2为SrBi_1.65La_0.35Nb₂O₉弛豫铁电陶瓷的在不同频率下的介电损耗图谱。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非局限于下述各实施例。

实施例1

以SrBi₂Nb₂O₉为基体，利用La³⁺取代Bi³⁺，其组成为SrBi_1.65La_0.35Nb₂O₉。所用原料为碳酸锶(SrCO₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二铌(Nb₂O₅)和氧化镧(La₂O₃)。

将原料按配方比例称量，利用去离子水作为弥散剂在球磨罐中粗磨24小时，出料并干燥，将粉料在60MPa的压力压制成块，以3℃/min的升温速度升至850℃，保温2小时进行预合成。将合成的料块破碎并过40目筛，仍以去离子水为弥散剂再细磨24小时，然后干燥。向粉料中加入7wt％的聚乙烯醇(PVA)粘结剂(浓度为5wt％)，过20目筛造粒，在200MPa压力下成型。将成型后的坯体在800℃下保温2小时(升温速率为2℃/min)进行排塑。烧结温度定为1190℃，升温速率为2℃/min，将坩埚密闭进行烧结，保温2小时。被银电极后进行测试。

介电性能的测量：利用HP4284A阻抗分析仪和GJW-1高温介电温谱测试系统(西安交通大学电子材料研究所)测量样品的介电温谱，测量温度范围为室温至600℃，测试频率为1kHz、10kHz、100kHz和1MHz。根据以下公式计算圆片样品的介电常数ε_r：

${\mathrm{\&epsiv;}}_r=\frac{\mathrm{\&epsiv;}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}=\frac{4C\&CenterDot;t}{{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0\&CenterDot;d^2}$

式中，C为电容，t为样品的厚度，d为样品的直径，ε₀为真空介电常数(8.854×10^-12F/m)。

实施例2

以SrBi₂Nb₂O₉为基体，利用Pr³⁺取代Bi³⁺，其组成为SrBi_1.70Pr_0.30Nb₂O₉。所用原料为碳酸锶(SrCO₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二铌(Nb₂O₅)和氧化镨(Pr₆O₁₁)。

烧结温度为1200℃，升温速率为2℃/min，其余条件同实施例1。

实施例3

以CaBi₂Nb₂O₉为基体，利用La³⁺取代Bi³⁺，其组成为CaBi_1.5La_0.5Nb₂O₉。所用原料为碳酸钙(CaCO₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二铌(Nb₂O₅)和氧化镧(La2O₃)。

烧结温度为1180℃，升温速率为2℃/min，其余条件同实施例1。

Claims (4)

1、一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，采用传统固相烧结方法，包括配料、混合、预合成前成型、预合成、粉碎、造粒、排塑前成型、排塑、烧结过程，其特征在于：

(1)按化学式ABi_2-xRe_xNb₂O₉配料，A为Sr或Ca，Re为Pr或La，0<x<1；

(2)预合成的制度为以1-5℃/分钟的升温速度升至700-1000℃，保温1-2小时；

(3)排塑的制度为700-1000℃下保温1-2小时；

(4)烧结的制度为以1-5℃/min的升温速率升至1100-1250℃，烧结时间为1-2小时，烧结过程中将坩埚密闭。

2、按权利要求1所述的一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于预合成前成型的压力40-80MPa。

3、按权利要求1所述的一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于排塑前成型的压力100-300MPa压力。

4、按权利要求1或2或3制备得到的一种铋层状结构弛豫铁电陶瓷材料，其化学式为ABi_2-xRe_xNb₂O₉，A为Sr或Ca，Re为Pr或La，0<x<1。

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