专利名称：具有磁介电效应的多铁性复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于ー种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及ー种具有磁介电耦合效应的无铅多铁性颗粒复合陶瓷材料及其制备方法。
背景技术：
随着科学技术的进歩，对器件的小型化、集成化的要求越来越高，因此发展具有两种或两种以上功能的新材料具有重要的价值。多铁材料由于同时具有磁性和电性并相互耦合，在传感器或换能器制备领域具有广泛的应用而备受重视。磁介电效应与电子铁电性及磁电效应ー样，是多铁性材料的重要物理特性。磁介电效应MDE (Magneto-dielectricEffect)定义是多铁性材料在居里温度(铁磁相变点)附近产生介电常数的突变，或者在居 里温度以下产生随磁场变化的介电常数改变。磁介电效应的表征公式为MDE (%) = [ ε (H) - ε (O) ] / ε (O) X 100%ε (H)和ε (O)分别为有磁场和无磁场时的介电常数。磁介电材料由于涉及磁学和电学及两者的交叉，对实验和理论研究都提出了一系列新的问题。近几年磁介电材料引起了国内外专家的极大关注。目前多铁材料主要分为单相化合物多铁材料和复相混合物多铁材料，由于具有本征单相多铁化合物比较稀少且其居里温度低，近年来复相多铁材料引起了广泛关注。第一个复合材料体系BaTiO3-CoFe2O4在20世纪70年代被报道，其后，一系列BaTiO3' Pb (Zr0.5Ti0.5) O3系复合材料体系相继被研究。如ArifD Sheikh等人制备的O. 15NF0-0. 85PMN-PT复合材料具有4. 54%的磁介电效应(In “Effect of thepiezomagnetic NiFe2O7l phase on the piezoelectric Pb (Mg1/3Nbo/3ノ 0.67Ti0.330, phase inmagnetoelectric composites”, Smart Mater. Struct. , 2009, 18:065014);S. Y. Tan 等人获得了 (λ 5MgFe204-0. 5BaTi03体系在7K0e磁场下的磁介电效应为O. 466%(In “Synthesisand characterization of composite MgFeoO4-BaiiO3 multiferroic system，，，J. Appl.Phys. ,2008, 103:094105) 0但是这些材料体系大多含有有毒物质，对环境污染严重。开发无铅无毒的新复合材料体系具有重要的意义。铌酸钠(NaNbO3)基压电材料室温下展示出高自发极化、高介电常数和高压电系数。此外，尖晶石结构铁酸镍(NiFe2O4)材料因具有高的电阻率和高的压磁系数被广泛应用于多铁性复合材料体系的开发中。本发明所涉及的多铁性复合陶瓷材料是首次提出，目前国内外未见相关报道。
发明内容
本发明的目的，是提供一种具有良好的电学性能、磁性能及磁介电效应的无铅、无毒的新型多铁性复合材料体系及其制备方法。本发明以Na2C03、Nb205、Ni0和Fe2O3为原料，采用固相法制备具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。本发明通过如下技术方案予以实现。
ー种具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其化学式为NaNbO3-NiFe2O4,摩尔比为 I: I ;该复合陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤(I)将 Na2CO3 和 Nb205、Ni0 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4,摩尔比为 I: I进行配料；以料去离子水锆球的质量比为1:1:1. 5的比例加置于聚酯罐中，球磨Γ24小时；(2)将步骤(I)球磨后的原料于干燥箱中100 120°C烘干，过40目筛；(3 )将步骤(2 )烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900 1150°C预烧，保温2 8小时；(4)将步骤(3)预烧后的粉料外加质量百分比为8% 10%的石蜡作为粘合剂进行造 粒，过80目筛，用粉末压片机压制生坯；(5)将步骤(4)的生坯于1100°C 1200°C烧结，保温2 8小时，制得多铁性复合陶瓷材料。所述步骤(I)的球磨采用行星式球磨机，转速为1000转/分。所述步骤(4)的粉末压片机的压カ为4 8MPa。所述步骤(4)采用的烧结温度为1150°C。所述步骤(5)的保温时间为4小吋。本发明的复合多铁材料具有均匀性好、粗糙度小、无微裂纹，性能稳定，且具有良好的电学性能、磁性能及磁介电效应等优点，烧结温度为110(Tl20(rC，lGHZ下磁导率为Γ2 (IMHz)，介电常数为48 52 (1MHz)，磁介电效系数为8 12% (1MHz, 3000Gauss)o可用于制造集成的多功能磁/电器件，制备エ艺简单，无毒，污染小，具有广泛的应用领域。
具体实施例方式本发明以Na2CO3 (分析纯)，Nb2O5 (分析纯)，NiO (分析纯)，Fe2O3 (分析纯)为初始原料，通过固相法制备具有磁介电效应的多铁性复合材料，具体实施例如下实施例I(I)将Na2CO3和 Nb205、Ni0和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中，在行星式球磨机上球磨4小时,球磨机转速为1000转/分；(2)将球磨后的原料置于干燥箱中，于120°C烘干，然后过40目筛；(3)将烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900°C预烧，保温4小时；(4)预烧后的粉料外加质量百分含量为8%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm,厚度为5_的生还；(5)将生坯在1100°C烧结，保温4小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得制品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例2
(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1. 5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨12小时；转速为1000转/分；(2)将球磨后的原料置于干燥箱中，于100°C烘干，然后过40目筛；(3)将烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于1150°C预烧，保温4小时；(4)预烧后的粉料外加质量百分含量为8%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm,厚度为5_的生还；(5)将生坯在1100°C烧结，保温8小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得 样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例3(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1. 5的比例加入聚酯罐中，在行星式球磨机上球磨24小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中，于120°C烘干，而后过40目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于1100°C预烧，保温6小时；(4)预烧后的粉料外加质量百分含量为8%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm,厚度为5_的生还；(5)将生坯在1125°C烧结，保温4小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例4(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨4小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中，于110°C烘干，而后过40目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于1100°C预烧，保温4小时；(4)预烧后的粉料外加质量百分含量为9%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm，厚度为约5mm的生坯；(5)将生坯在1150°C烧结，保温6小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例5
(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨6小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后过80目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900°C预烧，保温4小时；(4)预烧后的粉料加入质量百分含量为10%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm，厚度为约5mm的生坯；(5)将生坯在1175°C烧结，保温6小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得 样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例6(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨6小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后过80目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900°C预烧，保温6小时；(4)预烧后的粉料加入质量百分含量为10%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm，厚度为约5mm的生坯；(5)将生坯在1200°C烧结，保温4小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例7(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨6小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后过80目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900°C预烧，保温4小时；(4)预烧后的粉料加入质量百分含量为10%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm，厚度为约5mm的生坯；(5)将生坯在1200°C烧结，保温6小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。实施例8
(I)将 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化学计量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 进行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩尔比为1:1，将14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去离子水锆球的质量比为1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨机上球磨6小时；转速为1000转/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后过80目筛；(3)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于900°C预烧，保温8小时；(4)预烧后的粉料加入质量百分含量为10%的石蜡粘合剂进行造粒，过80目筛后，用粉末压片机在4MPa的压カ下将粉末压成直径为20mm，厚度为约5mm的生坯；
(5)将生坯在1200°C烧结，保温8小时，制得具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料。将制品通过安捷伦E4991阻抗分析仪、4285LCR分析仪及相关测试夹具测试所得样品的介电性能，磁性能及磁介电效应，具体测试结果详见表I。表I
权利要求
1.一种具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其化学式为NaNbO3-NiFe2O4,摩尔比为1:1。
该复合陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤 (1)将Na2CO3和Nb205、Ni0和Fe2O3按化学计量式NaNbO3和NiFe2O4,摩尔比为I:I进行配料；以料去离子水锆球的质量比为1:1:1. 5的比例加置于聚酯罐中，球磨4 24小时； (2)将步骤(I)球磨后的原料于干燥箱中10(Γ120 烘干，过40目筛； (3)将步骤(2)烘干、过筛后的粉料放入中温炉，于90(Tll5(rC预烧，保温21小时； (4)将步骤(3)预烧后的粉料外加质量百分比为8% 10%的石蜡作为粘合剂进行造粒，过80目筛，用粉末压片机压制生坯； (5)将步骤(4)的生坯于1100°C 1200°C烧结，保温2 8小时，制得多铁性复合陶瓷材料。
2.根据权利要求I的具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其特征在于，所述步骤(O的球磨采用行星式球磨机，转速为1000转/分。
3.根据权利要求I的具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其特征在于，所述步骤(4)的粉末压片机的压力为4 8MPa。
4.根据权利要求I的具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其特征在于，所述步骤(4)采用的烧结温度为1150°C。
5.根据权利要求I的具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其特征在于，所述步骤(5)的保温时间为4小时。
全文摘要
本发明公开了一种具有磁介电效应的多铁性复合陶瓷材料，其化学式为NaNbO3-NiFe2O4，摩尔比为1:1；以Na2CO3、Nb2O5、NiO和Fe2O3为原料，采用固相法，经配料、球磨、于900~1150℃予烧，再经压制成型，于1100℃~1200℃烧结。本发明具有均匀性好、粗糙度小、无微裂纹，性能稳定，且具有良好的电学性能、磁性能及磁介电效应等优点，可用于制造集成的多功能磁/电器件，且制备工艺简单，无毒，污染小，具有广泛的应用领域。
文档编号C04B35/26GK102826842SQ201210349938
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者李玲霞, 韩叶梅, 夏往所, 任翔 申请人:天津大学