CN108751973B - 一种三元多铁性材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种三元多铁性材料及其制备方法，属于材料领域，该材料的化学组成为：(0.7–x)BiFeO3–0.3BaTiO3–xLaFeO3，其中x＝0～0.2；该材料的制备方法为：1)按照化学计量比称量原料；2)将原料混合，球磨并干燥；3)加入粘结剂后压片，得到陶瓷片；4)将陶瓷片排胶，并进行高温烧结处理；本发明制备方法得到的三元多铁性材料具有结构稳定、电学性能、磁学性能与磁电耦合性能优良，能够应用于传感器或存储器中。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种三元多铁性材料及其制备方法。
背景技术
多铁性材料指具有两种或两种以上初级铁性体(铁电体、铁磁体和铁弹体)特征的化合物。多铁性材料不仅兼具铁电性和铁磁性，而且还具有铁电性和铁磁性的耦合作用，如通过外加电场能够改变材料的磁极化或磁阻，施加磁场产生电极化的磁电效应等，因而有着广阔的应用前景。例如，目前硬盘都是利用磁读写记忆材料进行存储，速度较慢。多铁性材料制备而成的电写磁读的存储材料可以使用快速的电极化强度使磁化强度发生跳变，存储性能将会得到很大的提高，同时，两种铁性共存使多铁性材料具有正负电极化强度(±P)和正负磁化强度(±M)组合形成的四种极化状态，大大提高了存储密度，在换能器、传感器、存储器等高新技术领域具有广泛的潜在应用前景。
多铁性材料表现出的优异的应用前景，掀起了对于多铁性材料与日俱增的投入研究。美国Science杂志在值得期待的材料领域中预测，多铁性材料是未来七大研究热点领域之一；美国材料研究会(MRS)已经在多次会议上将多铁性材料列入大会主题；我国也于2007年召开了以“多铁材料的发展与挑战”为题的第306次香山科学会议。目前，各国对于多铁性研究的投入越来越多，相关的研究成果也在不断地发表。
0.7BiFeO3-0.3BaTiO3具有很好的铁电性质。研究结果表明LaFeO3固溶改性的陶瓷体系磁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0.7BiFeO3-0.3BaTiO3相比表现出显著提高的极化和磁化能力，并且可用于传感器、存储器等电子器件。然而，关于(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3的三元体系的报道却少之又少。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种三元多铁性材料及其制备方法。
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0～0.2。
所述三元多铁性材料在传感器或存储器中应用。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3分子式的化学计量比进行准确称量；
(2)将称好的原料混合后，进行球磨12～24h，将球磨后的粉料烘干，并在700～800℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品继续球磨8～12h，之后再加入粘结剂，在140～180MPa下压片，得到陶瓷片；
(4)将压好的陶瓷片在500～700℃排胶4h，将排胶后的压片放入975～1050℃高温中烧结3h，得到三元多铁性材料。
上述一种三元多铁性材料及其制备方法，其中：
所述步骤(1)中，在装有氧化锆球磨罐中进行球磨。
所述步骤(1)中，原料包括Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2。
所述步骤(2)中，优选的，球磨时间为18h，预烧温度为750℃。
所述步骤(3)中，优选的，球磨时间为10h，在160MPa下压片。
所述步骤(3)中，粘结剂为质量分数5％的PVA，其中1g三元多铁性材料对应样品粉体所加入的PVA量为3～4滴。
所述步骤(2)和步骤(3)中，球磨之前先加入无水乙醇，对应0.06mol三元多铁性材料所需的初始材料，所加入的无水乙醇量为30～40ml。
所述步骤(4)中，优选的，将陶瓷片在600℃排胶4h。
上述一种三元多铁性材料及其制备方法，包括以下有益效果：
本发明制备方法得到的三元多铁性材料具有结构稳定、电学性能、磁学性能与磁电耦合性能优良，能够应用于传感器或存储器中。
附图说明
图1本发明实施例2～7制得的三元多铁性材料的(a)X射线衍射图谱(b)X射线放大衍射图谱；
图2本发明实施例2～7制得的三元多铁性材料的(a)电滞回线(b)剩余极化强度和矫顽场强随成分变化图；
图3本发明实施例2～7制得的三元多铁性材料的(a)磁滞回线(b)剩余磁化强度和矫顽场强随成分变化图；
图4本发明(a)实施例2～4(b)实施例5～7制得的三元多铁性材料的磁电耦合。
具体实施方式
以下通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步的介绍。
本发明中所用试剂均为市售产品，分析纯。
实施例1
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.025。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入975℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例2
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.025。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1050℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例3
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例4
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.025。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例5
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.05。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.05分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例6
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.075。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.075分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例7
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.1。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.1分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例8
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.2。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.2分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨18h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在750℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨10h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在160MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在600℃排胶4h，将排胶后的压片放入1000℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例9
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.025。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨12h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在700℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨12h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在140MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在500℃排胶4h，将排胶后的压片放入1050℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
实施例10
一种三元多铁性材料，该材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，其中x＝0.025。
一种三元多铁性材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将原料Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025分子式的化学计量比进行准确称量，称取量为0.06mol该三元多铁性材料所对应的初始原料的总量；
(2)将称好的原料放入装有氧化锆球磨罐中，以20mL无水乙醇作溶剂进行球磨24h，粉料球磨后倒入托盘中烘干，并在800℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品粉末在20mL无水乙醇中继续球磨8h，之后再加入质量分数为5％的PVA作为粘结剂，在180MPa下压片，得到陶瓷片，其中1g三元多铁性材料对应所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在700℃排胶4h，将排胶后的压片放入975℃高温中烧结3h，得到该三元多铁性材料。
通过实验分析上述实施例1～10制备的三元多铁性材料的性质以及性能，具体如下：
(1)陶瓷的结构确定：
采用X射线粉末衍射，确定陶瓷的结构。采用的仪器是日本理学SmartLab型X射线衍射仪，靶材为Cu靶，波长λ为0.15406nm，样品测试的管电压为45KV、管电流为200mA，使用连续扫描的方式进行测试，其扫描角度范围：2θ＝20～80°，扫描速度为4°/min，步长为0.01°，慢扫描起始终止角度：2θ＝44.5～46.5°，扫描速度1°/min，得到的粉末衍射结果如图1所示。
(2)陶瓷的铁电性能、磁性质和磁电耦合性质测量：
a)陶瓷片磨薄、抛光，两面涂上银浆，为电学性质的测试做准备。
b)铁电性质的测量：所用仪器为美国Radiant铁电测试系统，测试条件为：室温，频率为10Hz。
c)磁性质的测量：所用仪器为长春英普磁电技术开发有限公司开发的JDAW-2000C&D型振动样品磁强计，测试磁场范围-6000Oe～6000Oe。
d)磁电耦合性质测量：所用仪器为磁电性能测试系统，磁场1000Oe，测试频率0.02～100kHz。
本发明是基于寻找新的多铁性材料而进行的。BiFeO3-0.3BaTiO3-LaFeO3(简称BFO-BTO-LFO)作为同时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使用价值。首先是陶瓷的合成过程，通过反复的实验探索，探究出最佳的烧结温度和烧结时间，最终得到性能最佳的陶瓷样品，用X射线衍射仪确定结构，然后，对其铁电性能、磁性质和磁电耦合性质测量分析。
经XRD测试分析可得，实施例1制备的三元多铁性材料为纯的钙钛矿结构，该组分的剩余极化强度和矫顽场强为16.5C/cm2和26.31kV/cm，磁性分析可知，剩余磁化强度和矫顽场强为0.0414emu/g和2210Oe，该组分的磁电耦合系数为438.056mV/cm.Oe。
实施例2～7的具体的测试结果如图1～图4所示，在烧结温度为1000℃时，LaFeO3的掺杂量从0增加到0.025时，陶瓷的相结构从三方变为正交，在成分点0.025时，存在三方和正交共存，剩余极化强度可达25.67C/cm2，磁电耦合系数可达486.98mV/cm.Oe。
由于其具有上述优良性能，因此能够应用于传感器或存储器中，以替代现有的铁电材料。
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内。
Claims (5)
1.一种三元多铁性材料，其特征在于，所述三元多铁性材料的化学组成为：(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3，x＝0.025～0.2；所述材料在传感器或存储器中应用；包括采用以下步骤制备而成：
(1)将原料按照(0.7-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xLaFeO3分子式的化学计量比进行准确称量；其中，原料包括Bi2O3，La2O3，Fe2O3，BaCO3和TiO2；
(2)将称好的原料混合后，进行球磨12～24h，将球磨后的粉料烘干，并在700～800℃下预烧3h得到样品粉体；
(3)将样品继续球磨8～12h，之后再加入粘结剂，在140～180MPa下压片，得到陶瓷片；其中，粘结剂为质量分数5％的PVA，1g三元多铁性材料对应样品粉体所加入的PVA量为3～4滴；
(4)将压好的陶瓷片在500～700℃排胶4h，将排胶后的压片放入975～1050℃高温中烧结3h，得到三元多铁性材料。
2.权利要求1所述的一种三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，球磨时间为18h，预烧温度为750℃。
3.权利要求1所述的一种三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，球磨时间为10h，在160MPa下压片。
4.权利要求1所述的一种三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中，球磨之前先加入无水乙醇，对应0.06mol三元多铁性材料所需的初始材料，所加入的无水乙醇量为30～40ml。
5.权利要求1所述的一种三元多铁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将陶瓷片在600℃排胶4h。
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