CN105314982B - 三元多铁性材料、该材料的制备方法及应用 - Google Patents
三元多铁性材料、该材料的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种三元多铁性材料、该材料的制备方法及应用。该材料的化学组成为：xBiFeO3‑(1‑x‑y)Pb(Fe1/ 2NbO1/2)O3‑yPbTiO3；其中，0<x≤0.5；0.1≤y≤0.3。该制备方法包括下列步骤：(1)将初始原料按照分子式的化学计量比进行称重；(2)将称好的初始原料混合研磨，然后压片，并合成，制成预合成样品；(3)将预合成样品继续研磨，之后再加入PVA作为粘结剂，压片后排胶；(4)将排胶后的压片高温中烧结。三元多铁性材料在传感器或驱动器中的应用。本发明实施例所提供的三元多铁性材料具有优良稳定性、电学性能以及磁性能，能够应用于传感器或驱动器中。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种三元多铁性材料、该材料的制备方法及应用。
背景技术
早在1894年P·居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。1960年科学家们发现了单晶Cr2O3在80K到330K的温度范围内存在磁电效应，由此引发了寻找磁电效应的热潮，并相继在混合钙钛矿型磁性铁电材料，反铁磁材料和亚铁磁材料中发现了极弱的磁电效应。1970年，Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类，提出了铁性材料(ferroics)的概念。1994年瑞士的Schmid明确提出了多铁性材料(multi-ferroic)的概念，指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物。在香山科学会议第306次学术讨论会上，专家系统地介绍了铁酸铋－钛酸铅固溶体系的改性及多铁性。研究结果表明镧、镓等阳离子改性的铁酸铋－钛酸铅固溶陶瓷体系各方面性能都有明显改善和提高。在该体系的准同型相界处，其结构、电学、磁学等性能可以通过组分设计进行剪裁，同铁酸铋单晶相比表现出显著提高的极化和磁化能力。在应用方面该类材料可用于新型传感器、驱动器等电子器件。然而，与铁酸铋－钛酸铅相关的三元体系的报道却少之又少。
发明内容
第一方面，本发明提供了一种结构稳定、电学性能与磁性能优良的三元多铁性材料；第二方面，本发明提供了一种三元多铁性材料的制备方法；第三方面，本发明提供了一种三元多铁性材料在传感器或驱动器中的应用。
根据本公开实施例的第一方面，所提供的三元多铁性材料，该材料的化学组成为：xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3；
其中，0<x≤0.5；0.1≤y≤0.3。
上述的三元多铁性材料中，0.25≤x≤0.5；0.1≤y≤0.2。
上述的三元多铁性材料中，x＝0.25；0.1≤y≤0.16。
根据本公开实施例的第二方面，所提供的三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将初始原料按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重；
(2)将称好的初始原料混合研磨1-3h，然后在3-5MPa下压片，并在700-900℃下合成3-5h，制成预合成样品；
(3)将预合成样品继续研磨1-3h，之后再加入质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在180-220MPa下压片，然后在400-600℃排胶1-3h小时；其中，对应称取0.01mol三元多铁性材料所需的初始原料制成的预合成样品，所加入的PVA量为4-6滴；
(4)将排胶后的压片放入1000℃-1050℃高温中烧结2-4小时。
上述的三元多铁性材料的制备方法中，所述步骤(1)中的初始原料包括PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2。
上述的三元多铁性材料的制备方法中，所述步骤(2)中，将称好的初始原料加入无水乙醇混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h。
上述的三元多铁性材料的制备方法中，所述步骤(3)中，将预合成样品加入无水乙醇继续研磨2h，之后再加入质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h小时。
上述的三元多铁性材料的制备方法中，所述步骤(4)中，将排胶后的压片放入1000℃-1050℃高温中烧结3小时。
上述的三元多铁性材料的制备方法中，所述步骤(2)以及步骤(3)中，研磨之前先加入无水乙醇；其中，对应称取0.01mol三元多铁性材料所需的初始原料，所加入的无水乙醇量为10-20ml。
根据本公开实施例的第三方面，所提供的三元多铁性材料在传感器或驱动器中的应用。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例所提供的制备方法制备的三元多铁性材料具有优良稳定性、电学性能以及磁性能，能够应用于传感器或驱动器中。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
图1为本发明实验例一针对制备例三至六所得出的三元多铁性材料的XRD衍射图谱；
图2为本发明实验例二针对制备例三至六所得出的三元多铁性材料的介电温谱；
图3为本发明实验例二针对制备例三至六所得出的三元多铁性材料的电滞回线；
图4为本发明实验例二针对制备例三至六所得出的三元多铁性材料的磁滞回线；
图5-8为本发明实验例二针对制备例三至六所得出的三元多铁性材料的M-T曲线。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
制备例一
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.1；y＝0.1。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料混合研磨3h，然后在5MPa下压片，并在900℃下合成3h，制成预合成样品；(3)将预合成样品继续研磨3h，之后再加入6滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在220MPa下压片，然后在400℃排胶3h小时；(4)将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结4小时，得到该三元多铁性材料。
制备例二
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.5；y＝0.2。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料混合研磨1h，然后在3MPa下压片，并在700℃下合成5h，制成预合成样品；(3)将预合成样品继续研磨1h，之后再加入4滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在180MPa下压片，然后在600℃排胶1h小时；(4)将排胶后的压片放入1050℃高温中烧结2小时，得到该三元多铁性材料。
制备例三
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.25；y＝0.1。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料加入10ml无水乙醇并混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h，制成预合成样品；(3)将预合成样品加入10ml无水乙醇并继续研磨2h，之后再加入5滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h小时；(4)将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3小时，得到该三元多铁性材料。
制备例四
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.25；y＝0.12。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料加入20ml无水乙醇并混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h，制成预合成样品；(3)将预合成样品加入20ml无水乙醇并继续研磨2h，之后再加入5滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h小时；(4)将排胶后的压片放入1050℃高温中烧结3小时，得到该三元多铁性材料。
制备例五
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.25；y＝0.14。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料20ml加入无水乙醇并混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h，制成预合成样品；(3)将预合成样品加入20ml无水乙醇并继续研磨2h，之后再加入5滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h小时；(4)将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3小时，得到该三元多铁性材料。
制备例六
制备化学组成为xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2NbO1/2)O3-yPbTiO3的三元多铁性材料；其中，x＝0.25；y＝0.16。
该三元多铁性材料制备过程如下：(1)将初始原料PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重，称取量为0.01mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的重量；(2)将称好的初始原料加入10ml无水乙醇并混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h，制成预合成样品；(3)将预合成样品加入10ml无水乙醇并继续研磨2h，之后再加入5滴质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h小时；(4)将排胶后的压片放入1050℃高温中烧结3小时，得到该三元多铁性材料。
下面以制备例一至六所得三元多铁性材料为实验对象，通过实验分析所制备的三元多铁性材料的性质以及性能，具体如下：
实验例一
陶瓷的结构确定：
采用X－射线粉末衍射，确定陶瓷的结构。所用仪器为日本RIGAKU－DMAX2500粉末衍射仪(Cu靶，λ＝0.154056nm，石墨单色仪)，具体测试条件为室温下，测量角度范围为10-80°，采用的步长为0.02°(2θ)，时间2s/步。得到的粉末衍射结果如图1所示。
实验例二
陶瓷的电学性能和磁性能测量
a)从陶瓷切片磨薄、抛光，两面涂上银胶，用于电学性能的测量。
b)介电性的测量：所用仪器为阿尔法介电/阻抗高分辨率分析仪(Novolcontrol,German)，测温范围30～500℃，频率范围1～10kHz，小信号测试电压1Vrms。
c)铁电性的测量：所用仪器为TF2000标准铁电测量系统，温度条件为室温，所加频率为4Hz。
d)磁性能的测试：磁滞回线所用仪器为PPMS-9T，测试在5K下进行，M-T曲线所用仪器为MPMS-XL，温度范围是从0K-300K。
本发明是基于寻找新的多铁性材料而进行的。BiFeO3-Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(简称BF-PFN-PT)作为具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料，具有很好的研究价值和实用价值。首先是陶瓷合成过程，通过反复的实验探索，探索出最佳的合成温度，合成时间，烧结温度和烧结时间，最终得到性能最佳的陶瓷样品，用X-射线粉末衍射确定结构，然后，对其电学性能和磁学性能进行测试分析。
经XRD粉末测试分析可知，制备例一与制备例二中的三元多铁性材料均为纯的三方钙钛矿相，磁性分析可知，该材料为反铁磁性。
制备例一的剩余极化和矫顽场分别为19.8μC/cm2和12.42kV/cm.压电测试表明该组分的材料的压电系数为223pC/N。
制备例二的电学测试也能得到较完美的电滞回线，剩余极化为14.57μC/cm2，矫顽场为22.24kV/cm。压电测试表明该组分的材料的压电系数为50pC/N。
制备例三至六的具体的测量结果如图2-图8所示。其居里温度从146℃～309℃；矫顽场得到有效降低，从3.72kV/cm～22.24kV/cm；压电系数达到351pC/N。
由于其具备上述优良性能，因此能够被应用于传感器或驱动器中，以替代现有的铁性材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三元多铁性材料，其特征在于，该材料的化学组成为：xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/ 2NbO1/2)O3-yPbTiO3；
其中，x＝0.25；0.1≤y≤0.16；
所述三元多铁性材料的居里温度为146℃～309℃，矫顽场为3.72kV/cm～22.24kV/cm。
2.权利要求1所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)将初始原料按照xBiFeO3-(1-x-y)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-yPbTiO3分子式的化学计量比进行称重；
(2)将称好的初始原料混合研磨1-3h，然后在3-5MPa下压片，并在700-900℃下合成3-5h，制成预合成样品；
(3)将预合成样品继续研磨1-3h，之后再加入质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在180-220MPa下压片，然后在400-600℃排胶1-3h；其中，对应称取0.01mol三元多铁性材料所需的初始原料制成的预合成样品，所加入的PVA量为4-6滴；
(4)将排胶后的压片放入1000℃-1050℃高温中烧结2-4小时。
3.根据权利要求2所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的初始原料包括PbO，Bi2O3，Fe2O3，Nb2O5，和TiO2。
4.根据权利要求2所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将称好的初始原料加入无水乙醇混合研磨2h，然后在4MPa下压片，并在800℃下合成4h。
5.根据权利要求2所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将预合成样品加入无水乙醇继续研磨2h， 之后再加入质量浓度为5％的PVA作为粘结剂，在200MPa下压片，然后在500℃排胶2h。
6.根据权利要求2所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将排胶后的压片放入1000℃-1050℃高温中烧结3小时。
7.根据权利要求2至6任一项所述的三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)以及步骤(3)中，研磨之前先加入无水乙醇；其中，对应称取0.01mol三元多铁性材料所需的初始原料，所加入的无水乙醇量为10-20ml。
8.权利要求1所述三元多铁性材料在传感器或驱动器中的应用。
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