CN111072381A - 一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层，所述异类物质层选自金属或无机非金属。本发明提供的控制介电材料表观挠曲电效应的方法简单，异类物质只复合在介电材料的表面，并不影响材料的其它性能，并且对介电材料结构和形状没有影响。

Description

一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法。
背景技术
表观挠曲电效应是一种普遍存在的物理现象，被定义为材料在应变梯度作用下的电极化响应现象(正表观挠曲电效应)，或者在电场梯度作用下的应力响应现象(逆表观挠曲电效应)。由于表观挠曲电效应和压电效应类似，所以通过设计特殊的材料结构或几何形状可以产生类压电响应的效果。同时，由于表观挠曲电效应不受材料对称性的限制可以存在于所有介电材料中，所以基于表观挠曲电效应制备的挠曲电压电复合材料可以在较高温度下仍能产生类压电响应。现在常用的压电材料的都是经过极化作用之后的铁电材料，因为常规铁电材料内的自发极化方向是随机排列的，整体不表现出压电性。经过极化后，自发极化方向排列取向，表现出压电性，所以当温度超过退极化温度时会发生压电性消失的现象，但是材料的表观挠曲电效应不需要经过这么复杂的过程。所以，挠曲电压电复合材料具有传统压电材料不可能具备的高温度稳定性优点。
压电材料的性能研究得到了广泛的研究，可能通过多种方法实现对材料压电性能的控制，以便使材料的压电效应适应不同器件中的应用。但是，对材料的挠曲电性能的调节手段并不是很多。一些方法可用来控制材料的表观挠曲电效应，比如介电常数控制和尺寸效应控制。材料的表观挠曲电系数与材料的介电常数呈线性关系，所以可以通过化学掺杂方法调节材料的介电常数，进而控制材料的表观挠曲电效应。由于表观挠曲电效应具有尺寸效应，即在较小尺度小可以产生较大的应变梯度，从而产生较强的表观挠曲电效应，这种方法的尺度变化跨度通常是从宏观尺度到微观尺度的巨大变化。对于这些方法，介电常数方法需要重新制备原料，工艺流程复杂而尺寸效应方法则是对材料的几何形状和尺寸变化巨大，一般情况下在比较小的尺寸下，增强效果明显。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法，本发明提供的方法简单，不影响介电材料的其他性能以及形状。
本发明提供了一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层，所述异类物质层选自金属或无机非金属。
本发明以介电材料作为控制介电材料表观挠曲电效应的原料。
其中，所述介电材料选自铁电陶瓷材料。在本发明的一些具体实施方式中，所述介电陶瓷材料选自钛酸铋钠基陶瓷、钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、锆酸铅、铁酸铋、铌酸钾纳铁电氧化物和由上述成分的掺杂物，以及由上述成分组成的二元和多元固溶体。在本发明的一些具体实施方式中，所述钛酸铋钠基陶瓷选自0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷、BaTiO3陶瓷、硬性掺杂的锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-81)、0.94Na1/2Bi1/2TiO3-0.06BaTiO3陶瓷片或BST陶瓷。
参见图1，图1为介电材料的结构断面示意图。在刚烧结好的或经过高温热处理的陶瓷片表面，有一层的表面作用层，它与材料的内部体相材料在结构和性能上有所不同，表面层的存在对材料的表观挠曲电效应有大幅增强的作用，因此，本发明采用在材料表面层复合一层异类物质来影响材料的挠曲电性能，达到控制材料表观挠曲电效应的目的。
在本发明中，对所述介电材料的来源并没有特殊限制，可以自行制备，也可以为市售产品，其中，对于自行制备的方法没有特殊限制，本领域技术人员公知的能够得到介电材料的方法都可以应用于本发明。
在本发明中，在进行介电材料制备时，优选采用固相烧结法。本发明所述的固相烧结法具体为：
将制备介电材料的原料球磨后混合，进行预烧，得到预烧产物；
将所述预烧产物球磨加入粘结剂进行压制后进行烧结，得到片层介电材料。
其中，所述预烧的温度为650～1200℃，优选为850～1000℃，预烧的时间为2小时；
所述烧结的温度为800～1450℃，优选为1180～1200℃，所述烧结的时间为1小时。
制备完成介电材料之后，将所述介电材料进行打磨，即得到双面磨平的介电材料。所述打磨的厚度为大于0cm且小于介电材料的厚度。
然后，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层。在本发明中，所述复合为单面或双面复合。
所述复合的方式为覆盖于介电材料表面或者渗入介电材料表面。其中，本发明对所述复合的方法并没有特殊限制，可以为蒸发镀膜、离子溅射、磁控溅射或高温烧渗。
所述异类物质层在所述介电材料表面的复合的厚度为1nm～10μm，优选为0.1μm～8μm，更优选为0.5μm～8μm。
在本发明中，所述金属选自常用的导电电极材料金、银、铂、铝、镍或铜，所述无机非金属选自与材料的组分不同的非金属氧化物。
在本发明的一些具体实施方式中，在所述打磨之后，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层之前，还包括热处理，所述热处理的温度为在高于所用介电陶瓷材料居里温度或介电峰值温度至陶瓷材料烧结温度之间，所述热处理的时间为0～120min，优选为30～90min。经过热处理之后，在打磨之后的介电材料表面又形成了一层表面层。
当异类物质覆盖于在具有表面层的介电材料表面时，参见图2，图2为异类物质覆盖于介电材料表面的结构断面示意图。其中，异类物质对表面层作用影响较小，此时材料可以保持较高的挠曲电性能。
当异类物质渗入介电材料的表面层时，参见图3，图3为异类物质渗入介电材料表面的结构断面示意图。其中，渗入介电材料的异类物质会影响到表面层作用对材料表观挠曲电效应的作用，从而使材料的挠曲电性能增强或降低。
本发明提供了一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层，所述异类物质层选自金属或无机非金属。本发明提供的控制介电材料表观挠曲电效应的方法简单，异类物质只复合在介电材料的表面，并不影响材料的其它性能，并且对介电材料结构和形状没有影响。
附图说明
图1为介电材料的结构断面示意图；
图2为异类物质覆盖于介电材料表面的结构断面示意图；
图3为异类物质渗入介电材料表面的结构断面示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的控制介电材料表观挠曲电效应的方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1：
利用固相合成法制备0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷。
将一定比例的Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2(分析纯，国药集团)加入酒精球磨6-8小时后烘干，在850℃保温2小时合成。然后将合成后的粉体球磨，加入10％的质量分数为5％的PVA溶液作为粘结剂，压成直径为25.4mm圆片，在1180-1200℃下保温1小时烧结后直径为20毫米，厚度为0.7mm。将陶瓷片双面磨平至厚度为0.4mm，测定其表观挠曲电系数为-1.5μC/m。
在上述三个陶瓷片的两表面用离子溅射法分别镀厚度为100nm的金、200nm的银和100nm的铝三种物质。测量表观挠曲电系数分别为，金物质-1.27μC/m，银物质-2.27μC/m，铝物质-2.46μC/m。
实施例2：
将实施例1制备的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片作为原料，直径为20毫米，厚度为0.8mm。烧结好后双面打磨至陶瓷片的厚度为0.4毫米，测定其表观挠曲电系数为-1.5μC/m。
然后，将打磨后的陶瓷片在300℃热处理30分钟后，在陶瓷片两表面用离子溅射法分别镀厚度为100nm的金、100nm的铝两种物质。测量表观挠曲电系数分别为：金物质19.7μC/m，铝物质22.46μC/m。
实施例3：
将实施例1制备的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片作为原料，直径为20毫米，厚度为0.5mm。烧结好后双面打磨至陶瓷片的厚度为0.4毫米，测量表观挠曲电系数-2.4μC/m。
然后，将打磨后的陶瓷片在650℃热处理30分钟后，在三个制备好的陶瓷片两表面用离子溅射法分别镀厚度为100nm的金、200nm的银两种物质，以及采用烧渗方法在陶瓷片表面涂好厚度为15μm的银浆后，在650℃烧结30分钟。测量表观挠曲电系数分别为，溅射金物质18.2μC/m，溅射银物质21.04μC/m，烧渗银物质7.38μC/m。
实施例4：
利用传统的固相合成法制备的BaTiO3陶瓷片，直径为10毫米，厚度为0.5mm。
具体方法为：将BaCO3与TiO2(均为分析纯，国药集团)加入酒精球磨6～8小时后烘干，在1200℃保温2h合成；然后将合成后的粉体球磨，加入10％的质量分数为5％的PVA溶液作为粘结剂，压成直径为12.7mm圆片，将陶瓷圆片样品在1300℃下保温1h烧结，获得BaTiO3铁电陶瓷。
烧结好后双面打磨至厚度为0.5毫米，测量表观挠曲电系数为30μC/m。
方法(1)：在上述打磨好的陶瓷片表面使用离子溅射法镀厚度为200nm的金物质，测量表观挠曲电系数44μC/m；
方法(2)：将上述打磨好的陶瓷片在200℃热处理30分钟后，在陶瓷片两表面分别使用离子溅射法镀厚度为200nm的金物质，测量表观挠曲电系数97μC/m；
方法(3)：采用烧渗方法，在上述打磨好的陶瓷片表面涂好厚度为15μm的银浆后，在850℃烧制30分钟后，测量表观挠曲电系数为65μC/m；
方法(4)在上述打磨好的陶瓷片表面使用蒸发镀膜法镀厚度为100nm的银物质，测量表观挠曲电系数为27μC/m。
实施例5：
将市售的硬性掺杂的锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-81)。直径为25毫米，厚度为0.55mm。双面打磨至厚度为厚度0.5毫米，测量表观挠曲电系数为5.1μC/m。
方法(1)：将上述打磨好的陶瓷片在300℃热处理30分钟后，在陶瓷片两表面分别使用离子溅射法分别镀厚度为200nm的金物质，测量表观挠曲电系数为26μC/m；
方法(2)：采用烧渗方法，在上述打磨好的陶瓷片表面涂好厚度为15μm的银浆后，在650℃烧30分钟后。测量表观挠曲电系数为16.1μC/m。
实施例6：
利用传统的固相合成法制备的0.94Na1/2Bi1/2TiO3-0.06BaTiO3(简写NBBT6)陶瓷片和Ba0.6Sr0.4TiO3(简写BST)陶瓷片。
制备方法为：
NBBT6：将一定比例的Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2(分析纯，国药集团)加入酒精球磨6-8小时后烘干，在850℃保温2小时合成。然后将合成后的粉体球磨，加入10％的质量分数为5％的PVA溶液作为粘结剂，压成直径为25.4mm圆片，在1160-1180℃下保温1小时烧结后直径为20毫米，厚度为0.7mm。。
BST：将一定比例的BaCO3，SrCO3，TiO2(分析纯，国药集团)加入酒精球磨6-8小时后烘干，在1200-1250℃保温2小时合成。然后将合成后的粉体球磨，加入10％的质量分数为5％的PVA溶液作为粘结剂，压成直径为25.4mm圆片，在1300-1400℃下保温1小时烧结后直径为20毫米，厚度为0.7mm。
直径为20毫米，烧结好的陶瓷片NBBT6和BST分别双面打磨至厚度为厚度0.5毫米，测量表观挠曲电系数分别是4.4μC/m和10μC/m，将NBBT6陶瓷片和BST陶瓷片叠放在一起，在1100℃高温热处理15小时进行相互扩散渗入后，测量表观挠曲电系数：NBBT6陶瓷片为2.2μC/m，BST陶瓷片为4.2μC/m。
实施例7：
将实施例1制备的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片作为原料，直径为20毫米，烧结好后双面打磨至陶瓷片的厚度为0.6毫米，测量表观挠曲电系数-5.2μC/m。
将上述经过打磨的陶瓷片经300℃热处理30分钟后，在陶瓷片两表面用磁控溅射法镀厚度为100nm的铂物质，测量表观挠曲电系数是16.2μC/m。
实施例8：
将实施例1制备的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片作为原料，直径为20毫米，烧结好后双面打磨至陶瓷片的厚度为0.6毫米，测量表观挠曲电系数-5.3μC/m。
将上述经过打磨的陶瓷片经300℃热处理30分钟后，在陶瓷片两表面用蒸发镀膜法镀厚度为100nm的金物质，测量表观挠曲电系数是18.3μC/m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制介电材料表观挠曲电效应的方法，其特征在于，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层，所述异类物质层选自金属或无机非金属。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电材料选自铁电陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电陶瓷材料选自钛酸铋钠基陶瓷、钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、锆酸铅、铁酸铋、铌酸钾纳铁电氧化物和由上述成分的掺杂物，以及由上述成分组成的二元或多元固溶体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合的方式为覆盖于介电材料表面或者渗入介电材料表面，所述复合为单面复合或双面复合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合的方法为蒸发镀膜、离子溅射、磁控溅射或高温烧渗。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异类物质层的厚度为1nm～10μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属选自金、银、铂、铝、镍或铜，所述无机非金属选自与材料的组分不同的非金属氧化物。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层之前，还包括将所述介电材料进行打磨，所述打磨的厚度为大于0cm且小于介电材料的厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述打磨之后，在所述介电材料表面复合一层与所述介电材料不同的异类物质层之前，还包括热处理，所述热处理的温度为在高于所用介电陶瓷材料居里温度或介电峰值温度至陶瓷材料烧结温度之间，所述热处理的时间为0～120min。
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