本发明涉及功能材料技术领域，具体地说，是一种富锆锆钛酸铅-铁酸铋多铁性陶瓷材料。
背景技术：
多铁性材料是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁性物理性能，如铁电性与铁磁性共存。在多铁性材料中，不同的铁性性能之间能够产生一些新的效应，如磁电效应等。正是由于这些新的效应，使得多铁性材料具有非常广泛的应用前景，可广泛用于传感器、转换器、电容器和存储设备等。多铁性材料由于具有广泛的应用价值，最近几年一直被深入研究。BiFeO3是一种在室温下同时表现出铁电性和磁性(反铁磁性)的多铁性材料。其铁电居里温度TC＝830℃，反铁磁奈尔温度TN＝370℃，但是由于铁酸铋大的漏电使其铁电性在室温下很难饱和极化，同时铁酸铋的铁磁性非常微弱，无法用于实际应用中。传统的53/47型锆钛酸铅(PZT)材料则完全没有铁磁性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种新型的低成本室温多铁性陶瓷材料，获得在室温铁磁性和铁电性共存以及具有磁电耦合的多铁性材料，应用于传感器、能量收集器和信息存储器等。所述的陶瓷材料是由氧化铌改性的富锆锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)铁电性基元与铁酸铋(BiFeO3)磁性基元所组成，通过改变锆钛酸铅与铁酸铋的配比来改变样品材料的铁电性和铁磁性，获得自发极化强度和磁学性能可以被外场调控的新型功能陶瓷。
本发明的第一方面，提供一种富锆锆钛酸铅-铁酸铋多铁性陶瓷材料，其化学组成为：(1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z wt％Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.005～0.10，y＝0.01～0.1，z＝0.5～2.0。通过改变组成和结构来调控材料的自发极化、磁学性能和磁电耦合效应。
在本发明的优选实施例中，所述的x＝0.10，y＝0.10，z＝1。
在本发明的优选实施例中，所述的x＝0.04，y＝0.03，z＝1.5。
在本发明的优选实施例中，所述的x＝0.05，y＝0.05，z＝1.5。
本发明的陶瓷样品在室温下表现出铁电性和一定的铁磁性。不同BiFeO3含量和不同Zr/Ti样品的铁电性铁磁性强弱不同，当BiFeO3含量在10％左右时，自发极化强度保持在25μc/cm2以上，样品的剩余极化强度达到80memu/g。
本发明的陶瓷材料的介电常数和介电损耗可调，介电常数εr在230～310之间，介电损耗tanδ在1.5％至2.5％之间。
本发明的陶瓷材料体系在室温范围内铁电和铁磁性共存且具有较好的磁电耦合性能。
本发明的第二方面，提供上述富锆锆钛酸铅-铁酸铋多铁性陶瓷材料的制备方法，采用常规高温固相反应法制备，原料为Pb3O4，ZrO2，TiO2，Bi2O3，Fe2O3和Nb2O5等，按照所述的化学组成进行原料配比。
优选的，所述的富锆锆钛酸铅-铁酸铋多铁性陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：
a)将原料加去离子水球磨混合若干小时，经烘干压块后合成，合成温度为：在700℃下保温1小时，然后再升温至850℃下保温两小时；
b)二次球磨之后，将煅烧的粉末与浓度6wt％的聚乙烯醇粘合剂混合并压块，经24小时均化，再造粒，压制成坯体；
c)再在1250℃-1350℃烧结1-2小时成瓷；
d)然后切割加工，再被银、极化、磁化，即得。
优选的，所述的步骤b中浓度6wt％的聚乙烯醇粘合剂的加入量为粉末的5-8wt％。
优选的，所述的步骤d中极化的电场强度为3kv/mm，极化温度为100℃，在室温下以5000奥斯特磁场强度进行磁化。
本发明的第三方面，提供上述富锆锆钛酸铅-铁酸铋多铁性陶瓷材料在制备传感器、转换器、电容器、能量收集器或信息存储器中的应用。
本发明选择了富锆的锆钛酸铅体系将掺铌改性的富锆Pb(Zr,Ti)O3材料与BiFeO3材料进行复合，调节组成和结构以提高材料在室温下的自发极化和磁学性能，实现在室温下铁电和铁磁共存并具有较好的磁电耦合效应。
本发明的意义在于发明了工艺简单、成本低廉、以锆钛酸铅-铁酸铋多铁电性材料，调控提高该材料的自发极化强度和磁学性能。本发明的多铁电性材料所使用的原料成本较低，制备工艺简单且易于保存和使用，可应用于能量转换、敏感探测和现代通信等高技术领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
实施例1
锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料。其化学组成为：
(1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z％(重量)Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.10，y＝0.10，z＝1
具体的工艺操作流程方法如下：
1.称料球磨：按照(1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z％(重量)Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.10，y＝0.10，z＝1所要合成的配方化学计量进行配比，加入去离子水放入球磨罐球磨，然后以合适的转速球磨若干小时。
2.烘干压片：将球磨后的浆料烘干，烘干后的粉体取出研磨后倒入模具在一定压力下压片。
3.预烧：将压片放入马弗炉中煅烧合成。合成温度是700℃下保温1小时，然后再升温至850℃保温两个小时。
4.二次球磨烘干：预烧后的压片经粉碎后放入球磨罐中，以去离子水作为球磨介质，进行二次球磨，以适当的转速球磨若干小时。
5.均化造粒：将烘干后的粉体过筛，过筛后的粉体加入5-8wt％浓度为6wt％的聚乙烯醇。混合均匀后将粉体置于模具中再次压片，并在室温下静置均化24小时，均化后进行造粒。
6.成型：将造粒后的粉料置于模具中在一定压力下压片，确保成型的坯体具有一定的机械强度且无分层和裂纹。
7.排塑、烧结：将压好成型后的陶瓷坯体放入马弗炉中，由室温缓慢升温(升温速率2℃/min)至700℃保温1小时，使加入的PVA充分挥发。排塑后的陶瓷坯体放入氧化铝坩埚中用陶瓷粉体的熟料填埋烧结。陶瓷的升温速率为3℃/min，烧结温度介于1250～1300℃之间，保温时间为2小时，之后自然降温，炉温降至室温时将陶瓷取出。
8.上电极与极化：烧结成瓷的陶瓷材料经切割加工后被电极，在3kv/mm电场强度下极化，极化温度为100℃.在室温下以5000奥斯特磁场强度进行磁化。
由上述工艺制备的锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料的电滞回线为典型铁电体的电滞回线，饱和极化强度较大，为33μC/cm2，样品的剩余磁化强度达到80memu/g，适用于能量收集器及换能装置等。
实施例2
锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料。其化学组成为：
(1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z％(重量)Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.04，y＝0.03，z＝1.5
具体的工艺操作流程方法如下：
1.称料球磨：按照((1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z％(重量)Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.05，y＝0.03，z＝1.5所要合成的配方化学计量进行配比，加入去离子水放入球磨罐球磨，然后以适当的转速球磨若干小时。
2.烘干压片：将球磨后的浆料烘干，烘干后的粉体取出研磨后倒入模具在一定压力下压片。
3.预烧：将压片放入马弗炉中煅烧合成。合成温度是700℃下保温1小时，然后再升温至850℃保温两个小时。
4.二次球磨烘干：预烧后的压片经粉碎后放入球磨罐中，以去离子水作为球磨介质，进行二次球磨，以适当的转速球磨若干小时。
5.均化造粒：将烘干后的粉体过筛，过筛后的粉体加入5-8wt％浓度为6wt％的聚乙烯醇。混合均匀后将粉体置于模具中再次压片，并在室温下静置均化24小时，均化后进行造粒。
6.成型：将造粒后的粉料置于模具中在一定压力下压片，确保成型的坯体具有一定的机械强度且无分层和裂纹。
7.排塑、烧结：将压好成型后的陶瓷坯体放入马弗炉中，由室温缓慢升温(升温速率2℃/min)至700℃保温1小时，使加入的PVA充分挥发。排塑后的陶瓷坯体放入氧化铝坩埚中用陶瓷粉体的熟料填埋烧结。陶瓷的升温速率为3℃/min，烧结温度介于1280～1350℃之间，保温时间为2小时，之后自然降温，炉温降至室温时将陶瓷取出。
8.上电极与极化：烧结成瓷的陶瓷材料经切割加工后被电极，在3kv/mm电场强度下极化，极化温度为100℃，在室温下以5000奥斯特磁场强度进行磁化。
由上述工艺制备的锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料在2000奥斯特下，300kHz时，介电常数相对变化率为12％，适用于敏感器件和移相器件等。
实施例3
锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料。其化学组成为：
(1-x)Pb(Zr1-yTiy)O3+z％(重量)Nb2O5+xBiFeO3，其中x＝0.05，y＝0.05，z＝1.5
具体的工艺操作流程方法如下：
1.称料球磨：按照(1-x)Pb(Zr1-yTiy+1wt％Nb2O5)O3+xBiFeO3，其中x＝0.03，y＝0.05，z＝1.5所要合成的配方化学计量进行配比，加入去离子水放入球磨罐球磨，然后以适当的转速球磨若干小时。
2.烘干压片：将球磨后的浆料烘干，烘干后的粉体取出研磨后倒入模具在一定压力下压片。
3.预烧：将压片放入马弗炉中煅烧合成。合成温度是700℃下保温1小时，然后再升温至850℃保温两个小时。
4.二次球磨烘干：预烧后的压片经粉碎后放入球磨罐中，以去离子水作为球磨介质，进行二次球磨，以适当的转速球磨若干小时。
5.均化造粒：将烘干后的粉体过筛，过筛后的粉体加入5-8wt％浓度为6wt％的聚乙烯醇。混合均匀后将粉体置于模具中再次压片，并在室温下静置均化24小时，均化后进行造粒。
6.成型：将造粒后的粉料置于模具中在一定压力下压片，确保成型的坯体具有一定的机械强度且无分层和裂纹。
7.排塑、烧结：将压好成型后的陶瓷坯体放入马弗炉中，由室温缓慢升温(升温速率2℃/min)至700℃保温1小时，使加入的PVA充分挥发。排塑后的陶瓷坯体放入氧化铝坩埚中用陶瓷粉体的熟料填埋烧结。陶瓷的升温速率为3℃/min，烧结温度介于1280～1320℃之间，保温时间为2小时，之后自然降温，炉温降至室温时将陶瓷取出。
8.上电极与极化：烧结成瓷的陶瓷材料经切割加工后被电极，在3kv/mm电场强度下极化，极化温度为100℃，在室温下以5000奥斯特磁场强度进行磁化。
由上述工艺制备的锆钛酸铅-铁酸铋陶瓷材料，在5000奥斯特磁场强度下，当外加电场从+2000v/mm反向到-2000v/mm时，磁感应强度的相对变化率可达到大约15％，可应用于信息存储元件和相位调制器件等。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。