本发明属于铋层状陶瓷，具体涉及一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法及其产品。
背景技术：
：铋层状结构铁电材料引其具有较高的curie温度和良好的抗疲劳特性，在铁电存储及高温压电器件等领域具有较高的应用前景。铋层状结构铁电材料由铋杨层和类钙钛矿层沿c轴方向交替排列而成，由于铋氧状结构的特殊性，自发极化容易受到二维ab面的限制，导致铋层状结构陶瓷的矫顽场高，压电活性低，另外，bi离子在高温下会挥发，产生氧空位，恶化铋层状结构陶瓷的电学性能，进而限制铋层状结构陶瓷的高温应用领域，因此，制备在高温高频环境下具有良好的铁电压电性能的铋层状陶瓷成为了一项重要的课题。目前，cabi8ti7o27共生铋层状结构陶瓷，因其独特的超晶格结构和较高的居里温度等特点而引起研究人员的广泛关注，然而cabi8ti7o27陶瓷的压电活性较差以及高温介电损耗较大等缺点导致其在一定程度上得到不广泛的应用。目前，采用稀土元素对铋层状结构陶瓷进行a位掺杂是一种改善其电学性能的有效方法。例如，long等人报道了nd离子掺杂的na0.5b2.5nb2o9体系陶瓷，通过rietveld方法方法采用xrd和xps拟合发现nd离子掺杂显著减少了氧空位，同时获得了更大的剩余极化强度9.4μc/cm2和更好的压电性能28pc/n。peng等人采用稀土er3+离子对cabi4ti4o15进行a位掺杂，使其铁电、压电性能得到改善并提高居里温度，还在980nm激光激发下观测到557nm的绿光和670nm的红光，为以后制备光电多功能陶瓷材料提供了参考价值。尽管现有技术中通过对cabi8ti7o27陶瓷进行离子掺杂改善了其铁电和压电材料的电学性能，但是效果并不是很理想，因而如何提高cabi8ti7o27陶瓷的压电和铁电性能，以及在高温下的稳定性，仍是目前急需解决的问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法及其产品。所述材料的化学组成为cabi8-x-yndxeryti7o27，其中x＝0.005～0.04，y＝0.005～0.04。通过对cabi8ti7o27陶瓷掺杂能够有效提高压电性能和铁电性能，是用于光电多功能材料领域的理想材料。本发明采用以下技术方案：一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别干燥；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi8-x-yndxeryti7o27，其中x＝0.005～0.04，y＝0.005～0.04的化学计量比进行称取，然后放于球磨罐中进行球磨，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料进行真空干燥，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于800～900℃下煅烧2～6h，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经5mpa～10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在500～700℃下排胶2～4h，然后于1100～1200℃下烧结2～6h，随炉冷却至室温得到陶瓷。优选的，所述步骤1)中，所述的干燥温度为80～100℃，干燥时间为20～30h。优选的，所述步骤2)中，所述球磨罐为聚乙烯球磨罐，以二氧化锆锆球进行球磨。优选的，所述步骤2)中，所述球磨转速为300～400r/min，球磨时间20～30h。优选的，所述步骤3)中，所述真空干燥为在真空烘箱中于65～85℃干燥10～20h以除去除乙醇。优选的，所述步骤4)中，所述于800～900℃下煅烧2～6h的升温速率为4～6℃/min；所述排胶过程的升温速率为2～3℃/min，于1100～1200℃下烧结2～6h的升温速率为6～8℃/min。本发明的另一个技术方案是，基于上述制备方法制备的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷。优选的，所述的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的压电常数d33为18～23pc/n，2pr＝1.85～1.94μc/cm2；d33在400℃处理后仍能够维持在16～22pc/n。本发明的另一个技术方案是，基于上述一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的应用，所述陶瓷在压电材料中的应用。优选的，将陶瓷样品经500～600目砂纸打磨光滑后烧制银电极，于170～200℃硅油中，在11～13kv/mm电场下极化40～50min，放置20～30h得到压电材料。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：1)本发明提供的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷，按化学计量比称取原料，球磨，预煅烧，二次球磨，压制成型，排胶，烧结得到产品，制备方法简单，而且通过对cabi8ti7o27陶瓷掺杂能够有效提高压电性能和铁电性能，是用于光电多功能材料领域的理想材料。2)由于nd和er三者之间的协同作用，通过nd3+和er3+通过替代bi3+位合成的cabi8-x-yndxeryti7o27，其中x＝0.005～0.04，y＝0.005～0.04，使得cabi8ti7o27基陶瓷的致密性得到了提高，而且有效提高压电性能和铁电性能，以及高温稳定性。3)通过控制升温速率以及排胶温度使得cabi8ti7o27基陶瓷的致密性得到显著提高，而且也促进了压电性能和铁电性能的提高。综上所述，本发明制备的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷是光电多功能材料领域的理想材料。下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。具体实施方式本发明的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在80～100℃干燥20～30h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi8-x-yndxeryti7o27，其中x＝0.005～0.04，y＝0.005～0.04的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为300～400r/min，球磨时间20～30h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于65～85℃干燥10～20h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于800～900℃下煅烧1～6h，其升温速率为4～6℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经5mpa～10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在500～700℃下排胶2～4h，升温速率为2～3℃，然后于1100～1200℃下烧结2～6h，其升温速率为6～8℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.98nd0.01er0.01ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在650℃下排胶3h，升温速率为3℃，然后于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。实施例2一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在80℃干燥30h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.96nd0.02er0.02ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为400r/min，球磨时间20h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于70℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于800℃下煅烧6h，其升温速率为4℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在600℃下排胶4h，升温速率为2℃，然后于1200℃下烧结3h，其升温速率为7℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。实施例3一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.965nd0.005er0.03ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为300r/min，球磨时间30h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于75℃干燥19h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于900℃下煅烧2h，其升温速率为4℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经8mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在700℃下排胶2h，升温速率为3℃，然后于1100℃下烧结6h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。实施例4一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.985nd0.01er0.005ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在650℃下排胶3h，升温速率为3℃，然后于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。实施例5一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.97nd0.01er0.02ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在650℃下排胶3h，升温速率为3℃，然后于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。对比例1.一种nd掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2和nd2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.98nd0.02ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在650℃下排胶3h，升温速率为3℃，然后于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。对比例2一种er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.98er0.02ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中在650℃下排胶3h，升温速率为3℃，然后于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。对比例3一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将纯度大于99.0％的caco3、bi2o3、tio2、nd2o3和er2o3分别在90℃干燥25h；2)将步骤1)干燥后的原料按照cabi7.98nd0.01er0.01ti7o27的化学计量比进行称取，然后放于聚乙烯球磨罐中以二氧化锆锆球进行球磨，所述球磨转速为350r/min，球磨时间25h，其中，球磨介质为无水乙醇；3)球磨结束后，将得到的混合物料在真空烘箱中于80℃干燥18h以除去除乙醇，干燥后进行研磨，研磨后的粉体过80目筛；4)将过筛后的粉体在马弗炉中于850℃下煅烧5h，其升温速率为5℃，冷却至室温，加入质量分数为5％的聚乙烯醇(pva)水溶液造粒，将造粒的粉体通过压片机预成型后再经10mpa下压制成胚体，将所得的胚体在马弗炉中于1150℃下烧结4h，其升温速率为6℃，随炉冷却至室温得到陶瓷。将实施例1-5和对比例1-3的陶瓷材料分别经600目砂纸打磨光滑后烧制银电极，于180℃硅油中，在11～13kv/mm电场下极化45min，放置20h得到压电材料。并采用中国科学院声学所zj-3a型准静态d33测量仪测量样品的压电常数d33。采用德国aixaccct公司tfanalyzer2000铁电仪测量样品的剩余极化强度。测试温度分别为室温和400℃，测试场强为80kv/cm。表1na0.25k0.25bi2.5nb2o9基陶瓷的主要性能室温，d33(pc/n)2pr(μc/cm2)400℃，d33(pc/n)实施例1231.9422实施例219.51.8917.4实施例3181.8516实施例421.31.9119.9实施例522.11.9220.4对比例112.21.549.8对比例211.91.529.4对比例316.71.7614.6综上所述，本发明制备的一种nd和er共掺杂cabi8ti7o27陶瓷，制备方法简单，而且通过实施例1和对比例1-2的对比例可以发现，由于nd和er两者之间的协同作用，通过对cabi8ti7o27基陶瓷共掺杂能够有效提高压电性能和铁电性能，以及高温稳定性；通过实施例1和对比例3的对比例可以发现，通过排胶处理可以提高cabi8ti7o27基陶瓷的致密性，进而提高了cabi8ti7o27基陶瓷的压电性能和铁电性能。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页12