層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，以鈷離子代替部分鐵離子，得到Bi7Fe3-xCoxTi3O21層狀Aurivillius型多鐵氧化物陶瓷，其結構為兩個鉍氧層（（Bi2O2）2+）之間夾著鈦氧（Ti-O）八面體、鐵氧（Fe-O）八面體和鈷氧（Co-O）八面體，其中，由于鐵鈷原子結構相近，部分鈷離子替換部分鐵離子的位置后，Fe-O八面體和Co-O八面體排列相對較為有序，局部可以產生Fe-O-Co之間的耦合，從而使得陶瓷材料的鐵電性和鐵磁性增強。本發明專利技術還提供了一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料的制備方法，該陶瓷材料的制備溫度遠低于現行工藝的制備溫度，降低了能耗，有利于產業化生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及氧化物陶瓷材料
，尤其涉及一種。
技術介紹
鐵的基本性能包括鐵電性/反鐵電性、鐵磁性/反鐵磁性/亞鐵磁性和鐵彈性。多鐵性材料是指同一個相中包含兩種或兩種以上鐵的基本性能的材料。在多鐵性材料中，不同的鐵性能能夠產生一些新的特性，如磁電效應、磁介效應等，正是由于這些效應，使得多鐵性材料具有潛在的應用前景，可以廣泛用于轉換器、傳感器、電容器和存儲設備等。磁電效應是多鐵性材料的一個重要應用。磁電效應是指磁、機械力、電三者之間的耦合效應，即，磁場可以改變電極化方向，電場可以調制磁化狀態。最近幾年，具有磁電效應·的多鐵性材料備受關注，其不但可以用在鐵電和磁性設備的研發上，而且由于其能利用磁電之間的耦合，為設備的設計和應用提供附加的自由度，從而在新興的自旋電子學、多態信息存儲、電驅動鐵磁諧振器及磁調控壓電傳感器上表現出極為誘人的應用前景。到目前為止，在已發現的多鐵材料中，只有ABO3型結構的BiFeO3在室溫以上具有鐵電性和鐵磁性。但是，制備出高純BiFeO3樣品非常困難；而且BiFeO3存在高的漏電性，弱的反鐵磁性等缺點，所以，BiFeO3不能滿足實際應用的需要。研發出滿足實際應用需求的多鐵性材料成為近年來科學工作者們主要的研究方向，其中單一結構的多鐵性材料得到廣泛關注。在單一結構的多鐵性材料中，鉍氧層結構具有絕緣層和電荷庫的作用，能夠有效降低多鐵性材料的漏電流，對改善鐵電材料的電學性能有著積極意義，因此，含有鉍氧層結構的層狀鈣鈦礦的多鐵性材料得到了人們廣泛的重視。含有鉍氧層結構的層狀鈣鈦礦多鐵材料的化學式為Bi4Ti3012+nBiM03，其中，η為自然數，M為磁性元素。當η為3、Μ為Fe時，該多鐵材料具體為三層鈣鈦礦的鐵電材料Bi4Ti3O12與三個BiFeOJi合而成；其立體結構為在2個鉍氧層((Bi2O2)2+)之間夾著鈦氧(Ti-O)八面體和鐵氧(M-O)八面體。該多鐵材料不但可以有效地利用鉍氧層的絕緣作用來抑制磁性單元由于氧空位和鐵變價導致的漏電流，使得鐵電性增強；而且，由于該組合的多鐵性分別來源于鐵電單元和多鐵單元，所以在鐵電性增強的同時，鐵磁性也有一定增強。但是，三層的鐵電材料Bi4Ti3O12與三個BiFeO3的組合仍然表現為局域化反鐵磁性，而滿足不了實際應用的需求，所以必須通過其他途徑來改變磁性離子耦合來提高鐵磁性。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術所要解決的技術問題在于提供一種層狀結構鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，本專利技術提供的陶瓷材料具有優良的鐵電性和鐵磁性。本專利技術提供了一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，化學式如式(I)所示Bi7Fe3^xCoxTi3O21 (I)；其中，0〈χ〈3。優選的，所述X滿足以下條件0. 5彡X彡2。本專利技術還提供了一種層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料的制備方法，包括步驟一將鈦酸正丁酯、含鉍化合物、含鐵化合物、含鈷化合物和絡合劑在酸液中混合，得到混合溶液；所述鈦酸正丁酯、含鉍化合物、含鐵化合物和含鈷化合物中鈦、鉍、鐵、鈷的摩爾比為3:7:3_x:x,0〈x〈3 ；步驟二 將所述混合溶液蒸干、預燒，得到前驅體；步驟三將所述前驅體壓片成型、燒結，得到具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料。優選的，所述含鉍化合物為五水合硝酸鉍、氧化鉍和醋酸鉍中的一種或幾種。優選的，所述含鐵化合物為九水合硝酸鐵、三氧化二鐵和醋酸鐵中的一種或幾種。優選的，所述含鈷化合物為四水合乙酸鈷、氧化鈷和六水硝酸鈷中的一種或幾種。優選的，所述絡合劑為乙二胺四乙酸和檸檬酸。優選的，所述步驟一和步驟二之間還包括調節所述混合溶液的pH值至中性。優選的，所述預燒的溫度為650 800°C，所述預燒的時間為I 3小時。優選的，所述燒結的溫度為870 890°C，所述燒結的時間為3 6小時。本專利技術提供了一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，以鈷離子代替部分鐵離子，得到Bi7Fe3_xCoxTi3021層狀Aurivillius型多鐵氧化物陶瓷,其結構為兩個秘氧層((Bi2O2) 2+)之間夾著欽氧(Ti-O)八面體、鐵氧(Fe-O)八面體和鉆氧(Co-O)八面體，其中，由于鐵鈷原子結構相近,部分鈷離子替換部分鐵離子的位置后，Fe-O八面體和Co-O八面體排列相對較為有序，局部可以產生Fe-O-Co之間的耦合，從而能夠改善陶瓷材料的鐵電性和鐵磁性。實驗結果表明，在常溫下，本專利技術提供的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料在測量電場為190kV/cm時，剩余極化強度(2P,)約為3 μ C/cm2 25 μ C/cm2 ;其剩余磁化強度(2Mr)約為O.2emu/g 2. lemu/g。附圖說明圖I為本專利技術實施例及比較例制備的陶瓷材料的X射線圖；圖2為本專利技術實施例3提供的Bi7Feh5Cc^5Ti3O21的掃描電鏡照片；圖3為本專利技術實施例3提供的Bi7Feh5Co1. Ji3O21的鐵電性能測量圖；圖4為本專利技術實施例3提供的Bi7Feh5Co1. Ji3O21的鐵磁性能測量圖。具體實施例方式本專利技術提供了一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，化學式如式(I)所示Bi7Fe3^xCoxTi3O21 (I)；其中，0〈x〈3。本專利技術提供的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料在現有的鈦鐵酸鉍陶瓷材料的基礎上，通過將部分鐵離子用鈷離子來代替，得到Bi7Fe3_xCoxTi3021層狀Aurivillius型多鐵氧化物陶瓷，其結構為兩個鉍氧層((Bi2O2) 2+)之間夾著鈦氧(Ti-O)八面體、鐵氧(Fe-O)八面體和鈷氧(Co-O)八面體。本專利技術所述的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，由于鐵鈷原子結構相近，部分鈷離子替換部分鐵離子的位置后，Fe-O八面體和Co-O八面體排列相對較為有序，局部可以產生Fe-O-Co之間的耦合，從而能夠增強陶瓷材料的鐵電性和鐵磁性。本專利技術中，所述X滿足以下條件0〈x〈3，優選為O. 5彡X彡2。本專利技術提供的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料優選具有如下性能在常溫下，在測量電場為190kV/cm時，剩余極化強度(2P,)約為3 μ C/cm2 25 μ C/cm2 ;其剩余磁化強度(2Mr)約為O.2emu/g 2. lemu/g。·本專利技術還提供了一種層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料的制備方法，按照以下步驟制備步驟一將鈦酸正丁酯、含鉍化合物、含鐵化合物、含鈷化合物和絡合劑在酸液中混合，得到混合溶液；所述鈦酸正丁酯、含鉍化合物、含鐵化合物和含鈷化合物中鈦、鉍、鐵、鈷的摩爾比為3:7:3_x:x,0〈x〈3 ；步驟二 將所述混合溶液蒸干、預燒，得到前驅體；步驟三將所述前驅體壓片成型、燒結，得到具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料。本專利技術以鈦酸正丁酯、含鉍化合物、含鐵化合物、含鈷化合物為原料，其中，所述鈦酸正丁酯提供鈦源，可以為化學純的鈦酸正丁酯；所述含鉍化合物提供鉍源，可以為分析純的含鉍化合物，優選為五水合硝酸鉍、氧化鉍和醋酸鉍中的一種或幾種，更優選為五水合硝酸鉍；所述含鐵化合物提供鐵源，可以為分析純的含鐵化合物，優選為九水合硝酸鐵、三氧化二鐵和醋酸鐵中的一種或幾種，更優選為九水合硝酸鐵；所述含鈷化合物提供鈷源，可以為分析純的含鈷化合物，優選為四水合乙酸鈷、氧化鈷和六水硝酸鈷中的一種或幾種，更優選為四水合乙酸鈷和/或六水硝酸鈷,最優選為六水硝酸鈷。本專利技術對上述原料本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有層狀結構的鈦鐵鈷酸鉍陶瓷材料，化學式如式（I）所示：Bi7Fe3?xCoxTi3O21（I）；其中，0

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陸亞林，凌意翰，孫書杰，彭冉冉，雷志威，陳小兵，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：