一种使KIO3铁电材料获得低介电损耗的方法

一种使kio3铁电材料获得低介电损耗的方法
技术领域
1.本发明属于功能材料技术领域，具体涉及到一种使kio3铁电材料获得低介电损耗的方法。


背景技术：

2.铁电材料是一种非常重要的电介质材料，由于具有良好的铁电性、压电性、热释电性以及非线性光学等特性，在太阳能电池、光电开关以及数据存储器件等方面有着广泛应用前景。目前铅基压电陶瓷以其优异的铁电压电性能和比较系统地研究体系在电子器件制备和商业应用占主导地位，但铅基压电陶瓷材料中铅元素占原材料总重的60％以上，这使得人们在长期使用此类产品的过程中，导致铅中毒，影响身体健康。此外，在含铅材料的生产、使用和后续废弃处理过程中，对生态环境造成了严重破坏。随着环境问题的日益显现，许多国家和地区明令禁止在电子设备中使用含铅的有害物质，所以寻找不含铅且具有优异压电、铁电性能的材料已经刻不容缓。在这种情况下，钙钛矿型铁电材料逐渐成为研究的热点。
3.在可持续电力能源及其他商业、民用和军事系统电气化方面需要发展储能技术，储能密度大小与材料的介电常数和击穿电场有关，对于能量存储装置，必须选择高介电常数和高击穿场强的介电材料作为组成部分。一些存储的能量耗散，通常是由电荷迁移引起介电损耗和漏电流，对于介电材料电输运的研究十分有必要。高效的电介质能够使热形态的能量损耗实现最小化，因此，电介质只有具有尽可能低的介电损耗，才能表现出高效率。
4.kio3是一种经典的钙钛矿型铁电材料，由于它具有优异的压电性和非线性光学效应，有非常广泛的应用前景。传统降低材料介电损耗主要通过制备工艺和掺杂的方法，需控制掺杂浓度与反应时间，操作难度大，耗时长，因此需要一种简单有效的方式来降低kio3介电损耗，以便对其进行更好的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种使kio3铁电材料获得低介电损耗的方法，具体技术方案如下：
6.一种使kio3铁电材料获得低介电损耗的方法，在室温条件下，将kio3铁电材料在金刚石对顶砧中先加压至1.9gpa～20.56gpa再卸压至常压，得到介电损耗降低的kio3铁电材料。
7.更具体的步骤为：
8.第一步，组装金刚石对顶砧，对组装好的金刚石对顶砧进行调平对中，在金刚石上下两个砧面布平行板电极，在复合绝缘垫片中心打孔作为样品腔，将制作好的绝缘垫片复位，使样品腔中心与金刚石砧面中心重合，密封样品腔内放置样品和红宝石标压；
9.第二步，进行原位阻抗谱测量，将电极引线与频率响应分析仪相连，对待测样品施加交流电压，选取测量频率范围，得到不同压力下阻抗实部与虚部的关系图；
10.第三步，处理数据，对第二步测量的数据进行拟合，得到kio3的电阻随压力的变化曲线，再根据介电性质相关的电磁学计算公式，得到不同压力下的相对介电常数ε
r
、介电损耗tanθ，最后得到低介电损耗的kio3铁电材料。
11.所述平行板电极，是将铂片切割成细长条形，宽度为砧面的1/3，并用银浆粘到金属导线制作而成，分别布在压砧上下两个砧面，即样品的上下两个面。
12.所述复合绝缘垫片的制作过程为：将t301钢片预压作为垫片，在钢片上由中心向外留有金刚石压砧砧面压痕、倒角压痕和侧棱压痕，厚度为60μm；在预压好的绝缘垫片砧面压痕中心打一个直径为180μm的孔；将三氧化二铝与环氧树脂按质量比为6:1混合，研磨均匀后填入垫片的孔和所有压痕处，用金刚石对顶砧加压，在压痕中心同心圆处打孔作为样品腔，孔的直径为130μm。
13.有益效果：
14.kio3作为钙钛矿型铁电材料，介电性质对材料在能量储存装置和压电器件等应用方面有重要影响，本发明提供了一种使kio3获得低介电损耗的新方法，以满足不同器件对材料低介电损耗的需求，为kio3铁电材料的应用提供了方便，本发明具有操作简单、可控等特点。
附图说明
15.图1是实施例4压力为0～3.74gpa条件下的kio3材料的高压原位阻抗图谱。
16.图2是实施例4压力为4.3～9.16gpa条件下的kio3材料的高压原位阻抗图谱。
17.图3是实施例4压力为10～14.5gpa条件下的kio3材料的高压原位阻抗图谱。
18.图4是实施例4压力为15.3～20.56gpa条件下的kio3材料的高压原位阻抗图谱。
19.图5是实施例5条件下的kio3材料的电阻、相对介电常数随压力的变化关系图。
20.图6是实施例5条件下的kio3材料不同压力的介电损耗随频率的变化关系图。
具体实施方式
21.本发明的实施例中，原位阻抗谱测试，实验条件为室温，实验仪器是solartron1260/1296阻抗谱测量仪，选择电压为1v的交流电流，选择频率范围为0.001～107hz。
22.实施例1金刚石对顶砧装置的组装
23.第一步、将金刚石和压机的垫块分别放入乙醇与丙酮混合溶液中进行超声清洗，时间约为15分钟，擦拭干净，使金刚石表面污物。
24.第二步、将擦拭干净的金刚石放入公装，使使金刚石砧面与垫块中心通孔呈同心圆，用黑胶进行粘结。
25.第三步、将粘有金刚石的垫块放入压机，用螺丝固定，进行调平对中。上下两个砧面完全重合或成同心圆为对中，上下两砧面轻轻贴合没有彩色条纹为调平。
26.实施例2复合绝缘垫片的制作
27.第一步，将t301钢片预压作为垫片，在钢片上由中心向外留有金刚石压砧砧面压痕、倒角压痕和侧棱压痕，厚度约为60μm。
28.第二步、在预压好的绝缘垫片砧面压痕中心打一个直径为180μm的孔。
29.第三步、将三氧化二铝与环氧树脂按质量比为6:1混合，研磨均匀后填入垫片的孔和所有压痕处，用金刚石对顶砧加压。
30.第四步、在第三步砧面压痕中心同心圆处打孔作为样品腔，孔的直径为130μm。
31.实施例3在金刚石压砧上布电极并组装复合绝缘垫片
32.第一步、在金刚石对顶砧上下两个砧布平行板电极，电极应布在砧面的中间，电极宽度约为砧面1/3，在砧面上的长度约为1/2。
33.第二步、将制作好的绝缘垫片复位，使垫片砧面压痕与金刚石上下砧面完全贴合，电极应位于复合绝缘垫片所打孔的中心。
34.第三步，充分研磨kio3粉末，将研磨好的样品添加在金刚石对顶砧密封样品腔内，并用红宝石进行标压。组装完成后，从压机的测试观察窗观察电极是否搭在样品上，只有电极搭在样品上，才可以进行测试。
35.实施例4
36.对金刚石对顶砧装置样品腔内部施加压力，进行原位高压阻抗谱测试。首先将金刚石对顶砧装置样品腔内部压力在0～3.74gpa区间内变化，进行原位高压阻抗谱测试。具体的原位阻抗谱测试结果见图1。其次使压力从4.3gpa缓慢增加到9.16gpa，具体测试结果见图2。然后继续缓慢加压，压力从10.0gpa增加到14.5gpa，具体原位阻抗谱图见图3。最后将压力从15.3gpa缓慢增加到20.56gpa，具体原位阻抗谱图见图4。
37.实施例5
38.利用zview软件，将实施例4测得的原位阻抗谱实验数据拟合可以获得电阻阻值(见图5a)。并根据公式ε
r
＝σ/2πε0f
b
，得到相对介电常数随压力变化关系(见图5b)。根据公式tanδ＝ε”/ε'可以得到不同压力下介电损耗随频率的变化关系(见图6)。
39.从图5a可以发现，随着压力的增加，电阻先减小后逐渐变大。由图5b可知，在3.74gpa处，介电常数增到最大值5392，在4.3gpa～9.16gpa之间介电常数骤减。通过图6可知，高频区的介电损耗没有明显的变化，在低频区，随着压力的增加介电损耗逐渐减小，且介电损耗值减小幅度较大。之后，本发明将加压过程中7.8gpa的介电损耗值tanδ与卸压过程中7.6gpa的介电损耗值tanδ值进行比较，发现卸压后介电损耗的频率响应区间变宽，且在低频区的介电损耗明显减小，表明高压下kio3的介电性质得到了改变。因此，可以通过高压使kio3铁电材料的介电损耗降低，得到具有较低介电损耗的kio3铁电材料，本发明方法也可用于其他电介质材料介电损耗的研究。