一种对烧结温度敏感的钛酸铋基无铅介电陶瓷材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子陶瓷元件制备技术领域，特别是一种对烧结温度敏感的钛酸铋基 无铅介电陶瓷，它是一种新型高介电常数、低介电损耗的钙钛矿层状结构的介电材料，稍微 改变烧结温度，该陶瓷的介电常数、介电损耗和活化能等发生了比较明显的变化。
【背景技术】
[0002] 随着铁电存储器材料研究的深入，含祕层|丐钛矿铁电材料（bismuthlayer-structuredferroelectric:BLSF)引起人们的极大兴趣，BLSF的通式可表示为： 如202)2+^凡03|11+1)2 (m可以从1取到6)。其中钛酸铋（Bi4Ti3012，简称BIT)是典型的铋层 状结构的铁电材料，具有较低的处理温度、较高的居里温度（Tc)、良好的剩余极化强度、较 高的介电常数、低介质损耗、较好的铁电和压电性能、抗疲劳特性以及不含铅等优点，成为 新型存储器候选材料之一，也是目前BLSF材料研究的热点。其拥有良好铁电性能，最有望 成为制造非易失性铁电存储器材料之一，无论是在工农业、国防、科学研究，还是在日常生 活中，都有着广泛的应用。同时，其独特的电学、光学、光电子学性能，在现代微电子、微机电 系统、信息存储等方面也有着广阔的应用前景，其在可见光下具有良好光催化性使其大规 模应用于工业水处理成为可能。
[0003] 但是，随着科技的发展，人们对BIT材料的性能的要求越来越高，虽然对BIT铁电 材料的研究已经取得了很大的进步，但研究仍表明BIT材料还存在烧结致密性差、压电活 性低、矫顽场Ec大，不利于极化等不足，致使其压电性能较低，因此不能完全满足于工商 业发展对它更高品质的需求。因为BIT已具有较强的压电及铁电特性，所以此次我们主要 研究影响其介电特性的因素。实验通过改变烧结温度，进而影响其微观结构，制备出高介电 性能、低损耗的新型信息材料，让BIT能够更好的为科学所用，更好的为人类服务。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供了一种对烧结温度敏感的钛酸铋基无铅介电陶瓷材料，其化 学通式为：Bi4Ti3012。所制备的陶瓷相对于其他的无铅压电陶瓷具有介电常数高，介电损耗 小，电阻率大、对烧结温度敏感等特点。
[0005] 为达到发明目的，本发明提供了无铅介电陶瓷的制备方法，其方法包括以下步 骤：
[0006] (1)反应物为TiOjPBi203 (纯度为99%，使用高纯度的反应物可以减少杂质对反 应结果的影响），反应物在干燥器中冷却至室温后由化学通式计量比称重得到，样品通过传 统的固相法加工制备。具体配方如下：
[0007]
[0008] (2)粉末在异丙醇中混合并用稳定的氧化锆研磨物进行24小时球磨并干燥。将干 燥的粉末在温度为800°C预烧，时间为2小时，预烧后，将粉末球磨12小时，再将该粉状体研 磨造粒成型。
[0009] (3)将上述粒状体用单轴钢模机的压制成圆片生坯片，具体尺寸参考实施例，并在 200兆帕压强下冷等静压。然后将样品平均分成两部分，分别装入两个封闭的氧化铝坩埚， 以尽量减少挥发性氧化祕的损失，一个在ll〇〇°C的温度下烧结2-3小时，另一个在1150°C 的温度下烧结2-3小时。本实验将烧结温度提高50°C是探究Bi4Ti3012介电性能的关键。
[0010] (4)将陶瓷片一部分研磨至粉末，经X射线衍射分析为单相。
[0011] (5)将另一部分煅烧的陶瓷片研磨抛光至0. 9mm的厚度进行介电测量。将金粉敷 到正反两面，在800°C火炉中烧制成电极，并在非传导的丝管式炉中进行高温阻抗谱测量； IS数据通过样品的几何形状（颗粒的厚度/面积）进行校正，并使用ZView软件进行分析。 相对介电常数和介电损耗通过阻抗分析仪在20°C~600°C下进行测试。
[0012] 经检测烧结温度为1100°C居里点663°C，此时在居里点附近的相对介电常数达 76. 7以上，烧结温度为1150°C居里点为656°C，相对介电常数达22. 67以上，由此可以看出 1100°C时陶瓷片样品的介电性能明显优于1150°C。
[0013] (6)使用电镜对陶瓷片的剖面结构进行研究。陶瓷片截面进行抛光，在990°C热蚀 刻11小时，然后用金涂覆。并在随机12组选定的区域内使用微型探针在20千伏电压下进 行电子探针微量分析。
[0014] (7)使用电镜对陶瓷片的剖面结构进行研究和微观分析。
[0015] 本发明具有以下特点：
[0016] (1)采用传统的固相烧结方法，将原料Ti0jPBi203按照化学计量配比。成功地合 成了BIT新型材料。
[0017] (2)本发明通过在1040°C~1180°C不同温度下进行烧结得到不同介电特性的陶 瓷片，用于探究在不同化学反应下温度对材料性能的影响，选取性能最优（1100°c)以及性 能发生反转（1150°c)的两个特殊温度点进行详细分析，进而筛选出最符合实际应用的介 电材料，实现了对BIT无铅介电陶瓷各项性能的改良。
[0018] (3)本发明在通过XRD衍射分析确认实验材料为理论材料后，在阻抗分析仪中进 行高温阻抗谱分析，得到材料的相对介电常数值与介电损耗数值，并用Zview软件进行分 析，得到了有关陶瓷材料的各方面电学性能数据，具有重要意义的参考价值。
[0019] (4)本发明进行阻抗谱分析测量数据显示材料在居里温度以下具高介电常数和低 介电损耗，log( 〇/ohm km i)VS 1000/T曲线表明材料的活化能在0. 50和0. 73之间。
[0020] 总之，本发明方法所制备的陶瓷介电常数大，介电损耗小并且对烧结温度敏感，通 过改变烧结温度可以改变陶瓷的电学性能。
【附图说明】
[0021] 图1为XRD衍射图谱，衍射分析表明实验反应所得陶瓷片为单相，与理论材料一 致；
[0022] 图2表示材料在800°C预烧，1KKTC下烧结所测得相对介电常数随材料环境所处 温度变化曲线；
[0023] 图3表示材料在800°C预烧，1150°C下烧结所测得相对介电常数随材料环境所处 温度变化曲线；
[0024] 图4表示材料在800°C预烧，1100°C下烧结所测得介电损耗tgS随材料环境所处 温度变化曲线；
[0025] 图5表示材料在800°C预烧，1150°C下烧结所测得介电损耗tgS随材料环境所处 温度变化曲线；
[0026] 图6表示两组材料log( 〇/ohm-lcm-1)随1000/T变化拟合线（斜率代表活化能 大小）；
[0027] 图7表示材料在800°C预烧，1100°C下烧结所测得电镜图；
[0028] 图8表示材料在800°C预烧，1150°C下烧结所测得电镜图。