一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及电子功能陶瓷材料领域，具体涉及一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

钛酸锶(srtio3)具有典型的abo3钙钛矿结构，是一种用途比较广泛的功能陶瓷材料，具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点，在多数情况下，主要应用于电容器、滤波器以及微电子设备中。当温度为105k附近时，srtio3将经历结构性相变从立方相c转变为四方相t(c-t相变)，即在常温下srtio3为c相或称为顺电相，只有温度高于105k转变为t相时才会具有明显的铁电性。具有abo3结构的材料，例如srtio3，catio3和ktao3，通常具有较高的介电常数和较低的介电损耗，这类材料早期主要是作为量子顺电体使用，其量子起伏效应阻碍了铁电有序的形成。近几年，srtio3主要是作为第二相掺杂进入其他具有abo3结构的铁电材料中从而形成二元、三元或四元铁电系来改善材料本身的电学性能，例如，na0.5bi0.5tio3-srtio3、batio3-srtio3、bifeo3-batio3-srtio3、(k0.5na0.5)nbo3-linbo3-bifeo3-srtio3等。国内外报道中，均没有见到利用掺杂在室温下使srtio3材料由顺电相转变为具有铁电性的研究。

技术实现要素：

本发明要解决现有钛酸锶材料的量子起伏效应阻碍铁电有序形成的技术问题，而提供一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料及其制备方法。

一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料，该材料为钛酸锶陶瓷材料，化学式为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中，0﹤x≤0.15。

一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照钛酸锶与锂霞石粉体的摩尔比为(1-x)∶x，其中0﹤x≤0.15，称取钛酸锶粉体和锂霞石粉体；

二、将步骤一中称取的钛酸锶与锂霞石粉体放入球磨机中进行混料，得到浆料；

三、将步骤二得到的浆料烘干，得到混合粉体；

四、将步骤三得到的混合粉体过筛，得到预制粉体；

五、向步骤四制备的预制粉体中加入聚乙烯醇造粒，得到混料颗粒；

六、将步骤五得到的混料颗粒控制压力为8～15mpa，压制得到圆片；

七、将步骤六得到的圆片放入烧结炉中，升温至500～600℃，保温进行充分排胶；

八、将步骤七排胶后的圆片，放入刚玉陶瓷坩埚中，埋入钛酸锶粉体中，升温至1400～1600℃，保温，然后随炉冷却，得到陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4，完成所述的一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法。

其中将排胶后的圆片埋入钛酸锶粉体中为防止在高温加热过程中元素li的挥发。

进一步的，步骤二中混料时，以无水乙醇和氧化锆磨球为球磨介质，控制球料质量比为5∶1，转速为300r/min，球磨时间为8～12h。

进一步的，步骤三中烘干温度为100℃，烘干时间为10～12h。

进一步的，步骤四中过筛时，筛子的孔径为60目。

进一步的，步骤五中聚乙烯醇的加入量为预制粉体质量的5％。

进一步的，步骤六中圆片的直径为10～20mm。

进一步的，步骤七中控制升温速率为1～2℃/min，保温1～2h。

进一步的，步骤八中控制升温速率为5℃/min，保温2～5h。

进一步的，所述陶瓷材料制备电极的方法为：将陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4表面抛光，采用磁控溅射法，在陶瓷表面溅射银电极，然后放入烧结炉中退火，保温，退火温度为500～600℃，保温30～60min。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料及其制备方法，该材料组成为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中0﹤x≤0.15。制备该材料所需原料易得，制备工艺简单，通过lialsio4掺杂，可使室温顺电srtio3材料具有微弱的铁电性。

本发明制备的(1-x)srtio3-xlialsio4陶瓷材料从xrd物相上来看仍为立方相c，但是其铁电性能测试结果则表明，当lialsio4掺杂含量x>4mol％时，陶瓷样品的电滞回线明显变宽，甚至可以直接测到剩余极化强度2pr值，当电场强度e＝40kv/cm时，0.96srtio3-0.04lialsio4的剩余极化强度2pr≈0.12μc/cm²，0.92srtio3-0.08lialsio4的剩余极化强度2pr≈0.41μc/cm²，0.88srtio3-0.12lialsio4的剩余极化强度2pr≈0.44μc/cm²，而纯钛酸锶的剩余极化强度2pr仅为0.008μc/cm²，通过lialsio4掺杂陶瓷材料的剩余极化强度明显提高，说明陶瓷样品在室温下已经具备一定的铁电性，进行元素掺杂的一个重要目的是要降低相结构的对称性，即由一个具有较高对称性的相结构变为一个具有相对较低对称性的相结构。因而(1-x)srtio3-xlialsio4陶瓷材料顺电-铁电可调与其晶格局部对称性降低有关。(1-x)srtio3-xlialsio4陶瓷材料可以作为第二相掺杂进入knn、bi0.5na0.5tio3及batio3基陶瓷中，用于进一步改善二元或三元系陶瓷材料的介电、铁电及压电性能，使其能更好的应用于压电马达、执行机构、传感器、驱动器及换能器中。

本发明制备的陶瓷材料应用于压电马达、执行机构、传感器、驱动器及换能器中。

附图说明

图1为实施例制备的(1-x)srtio3-xlialsio4陶瓷材料与纯srtio3的xrd图谱；

图2为纯srtio3的电滞回线图；

图3为实施例一制备的0.96srtio3-0.04lialsio4陶瓷样品的电滞回线图；

图4为实施例二制备的0.92srtio3-0.08lialsio4陶瓷样品的电滞回线图；

图5为实施例三制备的0.88srtio3-0.12lialsio4陶瓷样品的电滞回线图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料，该材料为钛酸锶陶瓷材料，化学式为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中，0﹤x≤0.15。

具体实施方式二：本实施方式一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法，以下步骤进行：

一、按照钛酸锶与锂霞石粉体的摩尔比为(1-x)∶x，其中0﹤x≤0.15，称取钛酸锶粉体和锂霞石粉体；

二、将步骤一中称取的钛酸锶与锂霞石粉体放入球磨机中进行混料，得到浆料；

三、将步骤二得到的浆料烘干，得到混合粉体；

四、将步骤三得到的混合粉体过筛，得到预制粉体；

五、向步骤四制备的预制粉体中加入聚乙烯醇造粒，得到混料颗粒；

六、将步骤五得到的混料颗粒控制压力为8～15mpa，压制得到圆片；

七、将步骤六得到的圆片放入烧结炉中，升温至500～600℃，保温进行充分排胶；

八、将步骤七排胶后的圆片，放入刚玉陶瓷坩埚中，埋入钛酸锶粉体中，升温至1400～1600℃，保温，然后随炉冷却，得到陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4，完成所述的一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二中混料时，以无水乙醇和氧化锆磨球为球磨介质，控制球料质量比为5∶1，转速为300r/min，球磨时间为8～12h。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤三中烘干温度为100℃，烘干时间为10～12h。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四至一不同的是：步骤四中过筛时，筛子的孔径为60目。其它与具体实施方式二至四至一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五至一不同的是：步骤五中聚乙烯醇的加入量为预制粉体质量的5％。其它与具体实施方式二至五至一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六至一不同的是：步骤六中圆片的直径为10～20mm。其它与具体实施方式二至六至一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七至一不同的是：步骤七中控制升温速率为1～2℃/min，保温1～2h。其它与具体实施方式二至七至一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八至一不同的是：步骤八中控制升温速率为5℃/min，保温2～5h。其它与具体实施方式二至八至一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九至一不同的是：所述陶瓷材料制备电极的方法为：将陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4表面抛光，采用磁控溅射法，在陶瓷表面溅射银电极，然后放入烧结炉中退火，保温，退火温度为500～600℃，保温30～60min。其它与具体实施方式二至九至一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料，该材料为钛酸锶陶瓷材料，化学式为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中，x＝0.04。

一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法，以下步骤进行：

一、按照钛酸锶与锂霞石粉体(lialsio4)的摩尔比为(1-x)∶x，其中x为0.04，称取钛酸锶粉体和锂霞石粉体；

二、将步骤一中称取的钛酸锶与锂霞石粉体放入球磨机中进行混料，混料时，以无水乙醇和氧化锆磨球为球磨介质，控制球料质量比为5∶1，转速为300r/min，球磨时间为12h，得到浆料；

三、将步骤二得到的浆料烘干，控制烘干温度为100℃，烘干时间为12h，得到混合粉体；

四、将步骤三得到的混合粉体过筛，筛子的孔径为60目，得到预制粉体；

五、向步骤四制备的预制粉体中加入聚乙烯醇造粒，聚乙烯醇的加入量为预制粉体质量的5％，得到混料颗粒；

六、将步骤五得到的混料颗粒控制压力为10mpa，压制得到直径为10mm的圆片；

七、将步骤六得到的圆片放入烧结炉中，控制升温速率为1℃/min，升温至500℃，保温2h进行充分排胶；

八、将步骤七排胶后的圆片，放入刚玉陶瓷坩埚中，埋入钛酸锶粉体中，控制升温速率为5℃/min，升温至1500℃，保温2h，然后随炉冷却，得到陶瓷材料0.96srtio3-0.04lialsio4，完成所述的一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法。

将得到的陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4表面抛光，采用磁控溅射法，在陶瓷表面溅射银电极，然后放入烧结炉中退火，控制退火温度为500℃，保温30min，制得电极。

本实施例制备得到的0.96srtio3-0.04lialsio4陶瓷样品，在室温下进行测试：xrd物相结果表明，当x＝4mol％时，0.96srtio3-0.04lialsio4陶瓷样品仍维持立方相，没有任何杂相产生，说明lialsio4在srtio3晶格中具有较高的溶解度，如图1所示。与纯srtio3(图2)比较，当电场强度逐渐增加时，0.96srtio3-0.04lialsio4陶瓷样品电滞回线明显变大变宽，当电场强度e＝40kv/cm时，其剩余极化强度2pr≈0.12μc/cm²，如图3所示。

实施例二：

本实施例一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料，该材料为钛酸锶陶瓷材料，化学式为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中，x＝0.08。

一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法，以下步骤进行：

一、按照钛酸锶与锂霞石粉体的摩尔比为(1-x)∶x，其中x为0.08，称取钛酸锶粉体和锂霞石粉体；

二、将步骤一中称取的钛酸锶与锂霞石粉体(lialsio4)放入球磨机中进行混料，混料时，以无水乙醇和氧化锆磨球为球磨介质，控制球料质量比为5∶1，转速为300r/min，球磨时间为12h，得到浆料；

三、将步骤二得到的浆料烘干，控制烘干温度为100℃，烘干时间为12h，得到混合粉体；

四、将步骤三得到的混合粉体过筛，筛子的孔径为60目，得到预制粉体；

五、向步骤四制备的预制粉体中加入聚乙烯醇造粒，聚乙烯醇的加入量为预制粉体质量的5％，得到混料颗粒；

六、将步骤五得到的混料颗粒控制压力为8mpa，压制得到直径为10mm的圆片；

七、将步骤六得到的圆片放入烧结炉中，控制升温速率为1℃/min，升温至600℃，保温2h进行充分排胶；

八、将步骤七排胶后的圆片，放入刚玉陶瓷坩埚中，埋入钛酸锶粉体中，控制升温速率为5℃/min，升温至1450℃，保温3h，然后随炉冷却，得到陶瓷材料0.92srtio3-0.08lialsio4，完成所述的一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法。

将陶瓷材料(1-x)srtio3-xlialsio4表面抛光，采用磁控溅射法，在陶瓷表面溅射银电极，然后放入烧结炉中退火，控制退火温度为500℃，保温30min，制得电极。

本实施例制备得到的0.92srtio3-0.08lialsio4陶瓷样品，在室温下进行测试：xrd物相结果表明，当x＝4mol％时，0.92srtio3-0.08lialsio4陶瓷样品仍维持立方相，没有任何杂相产生，说明lialsio4在srtio3晶格中具有较高的溶解度，如图1所示。与纯srtio3(图2)和实施例1(图3)比较，当电场强度逐渐增加时，0.92srtio3-0.08lialsio4陶瓷样品电滞回线明显变宽，当电场强度e＝40kv/cm时，其剩余极化强度2pr≈0.41μc/cm²，如图4所示。

实施例三：

本实施例一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料，该材料为钛酸锶陶瓷材料，化学式为(1-x)srtio3-xlialsio4，其中，x＝0.12。

一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法，以下步骤进行：

一、按照钛酸锶与锂霞石粉体的摩尔比为(1-x)∶x，其中x为0.12，称取钛酸锶粉体和锂霞石粉体；

二、将步骤一中称取的钛酸锶与锂霞石粉体(lialsio4)放入球磨机中进行混料，混料时，以无水乙醇和氧化锆磨球为球磨介质，控制球料质量比为5∶1，转速为300r/min，球磨时间为10h，得到浆料；

三、将步骤二得到的浆料烘干，控制烘干温度为100℃，烘干时间为12h，得到混合粉体；

四、将步骤三得到的混合粉体过筛，筛子的孔径为60目，得到预制粉体；

五、向步骤四制备的预制粉体中加入聚乙烯醇造粒，聚乙烯醇的加入量为预制粉体质量的5％，得到混料颗粒；

六、将步骤五得到的混料颗粒控制压力为12mpa，压制得到直径为10mm的圆片；

七、将步骤六得到的圆片放入烧结炉中，控制升温速率为1.5℃/min，升温至600℃，保温2h进行充分排胶；

八、将步骤七排胶后的圆片，放入刚玉陶瓷坩埚中，埋入钛酸锶粉体中，控制升温速率为5℃/min，升温至1400℃，保温4h，然后随炉冷却，得到陶瓷材料0.88srtio3-0.12lialsio4，完成所述的一种室温顺电-铁电可调的陶瓷材料的制备方法。

将陶瓷材料0.88srtio3-0.12lialsio4表面抛光，采用磁控溅射法，在陶瓷表面溅射银电极，然后放入烧结炉中退火，控制退火温度为500℃，保温30min，制得电极。

本实施例制备得到的0.88srtio3-0.12lialsio4陶瓷样品，在室温下进行测试：xrd物相结果表明，当x＝12mol％时，0.88srtio3-0.12lialsio4陶瓷样品仍维持立方相，没有明显杂相产生，如图1所示。与纯srtio3(图2)和实施例1(图3)比较，当电场强度逐渐增加时，0.88srtio3-0.12lialsio4陶瓷样品电滞回线变宽更加显著，与实施例2(图4)相比电滞回线宽度稍有增加，说明lialsio4溶解度已经达到上限，当电场强度e＝40kv/cm时，其剩余极化强度2pr≈0.44μc/cm²，如图5所示。