專利名稱：一種改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法。
背景技術(shù)：
單相多鐵材料稀土錳氧化物WMn03 (W = Ho-Lu， Y and Sc )，具有六 方鉤鈦礦結(jié)構(gòu)(空間群為P&cw)，每個錳原子被同一平面內(nèi)的三個氧原 子和兩個頂角氧原子圍繞形成MnOs三角雙錐體，每個稀土原子與七個氧 原子連結(jié)構(gòu)成及07多面體。沿著c軸，共頂點的Mn05雙棱錐層和共邊的 i 07多面體層堆垛形成接近二維特性的層狀三明治結(jié)構(gòu)。這種獨特的近二 維晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了鐵電性的出現(xiàn)。靜電效應(yīng)和稀土離子W+的小尺寸效應(yīng) 造成的MnOs雙棱錐的傾斜，以及巨大的及-Op偏離對稱中心的位移是誘 發(fā)鐵電畸變的主要因素。對于該類材料，可以利用傳統(tǒng)的高溫常壓固態(tài) 反應(yīng)方法獲得，但這種方法制備的稀土錳氧化物存在很多的氣孔、缺陷 等，即材料的致密性差，絕緣性能不好，不利于對材料的鐵電性能進(jìn)行 表征。在進(jìn)行鐵電性能方面的研究時，在電場的作用下，致密性差的樣 品會表現(xiàn)出較大的漏電問題，使我們很難獲得飽和的電滯回線，而且材 料的介電損耗值也比傳統(tǒng)的典型鐵電體BaTi03陶瓷的大了許多，漏電流 是導(dǎo)致?lián)p耗值過大的主要原因。除了樣品的致密程度以外，樣品中的氧 空位遷移，以及樣品中的晶界效應(yīng)等也是產(chǎn)生漏電的主要因素。因此， 尋找提高樣品的致密度，減少樣品中的氧空位及晶界效應(yīng)的方法對改善 樣品鐵電性能有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種改善單相多 鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，該方法利用高溫高壓的方式制備高致密的 單相多鐵陶瓷材料，并對其在氧氣氛下低溫?zé)崽幚?，使處理后的材料?現(xiàn)出更好的鐵電性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方
法，具體為
1 ) 將99.9%高純的Sc203和癒203氧化物4分末以1:1的摩爾比混 合、研磨均勻，在800-1000。C的條件下進(jìn)行初步燒結(jié)，保溫 12-48小時；
2)將初燒后的混合物均勻研磨后進(jìn)行包裹封裝，并在4-5Gpa、
900-1150。C的條件下進(jìn)行保溫保壓10-30分鐘來合成樣品，然
后將樣品淬火至室溫，并卸壓； 3 )在加熱爐中02氛圍下將高壓制備的單相ScMn03陶資樣品做
低溫?zé)崽幚恚瑹崽幚淼臏囟确秶?00-600。C，熱處理時間為
8-20小時。
進(jìn)一步，所述步驟l)中初步燒結(jié)的優(yōu)選溫度是900。C，優(yōu)選保溫時 間是12小時。
進(jìn)一步，所述步驟2)中處理條件的優(yōu)選值是在5Gpa、 IOO(TC的條 件下進(jìn)行保溫保壓15分鐘。
進(jìn)一步，所述步驟3)中熱處理的優(yōu)選溫度是500。C,優(yōu)選保溫時間 是12小時。
進(jìn)一步，所述步驟2)中混合物被包裹在金蕩中，并封裝在氮化硼管內(nèi)。
進(jìn)一步，所述加熱爐為石墨加熱爐或箱式電阻爐。 進(jìn)一步，所述步驟2)中樣品合成在六面頂大壓機上進(jìn)行，具體為 首先進(jìn)行溫度和壓力的標(biāo)定，用控制加熱功率的方法控制加熱溫度；在 室溫下緩慢升壓至5GPa，再啟動加熱程序加熱至1000°C，在高溫高壓條 件下保溫15分鐘后，淬火至室溫，最后緩慢卸壓。
本發(fā)明用高溫高壓固態(tài)反應(yīng)方法制備了高致密的單相多鐵陶瓷材料 ScMn03,然后進(jìn)行氧氣中低溫?zé)崽幚?。通過測試我們發(fā)現(xiàn)，與普通的常 壓高溫方法制備的ScMn03樣品相比，由高壓方法制備并在50(TC的條件 下熱處理過的樣品的相對密度超過95%，遠(yuǎn)大于常壓制備的樣品密度 700/。左右，電阻也有了很大的增加，表現(xiàn)出更好的絕緣性和鐵電性能。


圖1為本發(fā)明制備的單相ScMn03樣品和在500°C條件下對高壓制
備的ScMn03樣品熱處理后的X射線衍射鐠(XRD)圖語；
圖2a為本發(fā)明高溫常壓制備的ScMn03樣品的掃描電鏡(SEM)圖； 圖2b為本發(fā)明高溫高壓制備的ScMn03樣品的掃描電鏡(SEM)圖； 圖3是本發(fā)明中高溫高壓制備的單相ScMn03陶瓷樣品、高壓高溫制
備后氧氣中退火的單相ScMn03陶瓷樣品、及高溫常壓制備的單相
ScMn03陶瓷樣品的漏電流隨電壓變化關(guān)系的比較；
圖4a為本發(fā)明高溫常壓制備的ScMn03樣品進(jìn)行氧氣中熱處理后，
在室溫、電場作用下的電滯回線圖4b為本發(fā)明高溫高壓制備的ScMn03樣品進(jìn)行氧氣中熱處理后，
在室溫、不同電場作用下的電滯回線圖。
具體實施例方式
實施例1:
利用高溫高壓方法制備高致密單相ScMn03多鐵陶瓷樣品。
(1) 將99.9%高純的Sc203和癒203氧化物粉末以1:1的摩爾比混 合、研磨均勻，在900。C的條件下進(jìn)行初步燒結(jié)，保溫12小時。
(2) 將初燒后的混合物均勻研磨后壓成直徑5mm的小圓片，用金 箔包裹，并逐步封裝在氮化硼管、石墨加熱爐內(nèi)，最后裝入高壓組裝件 內(nèi)進(jìn)行高壓合成。樣品合成在六面頂大壓機上進(jìn)行，高壓實驗前首先進(jìn) 行溫度和壓力的標(biāo)定，用控制加熱功率的方法控制加熱溫度。先在室溫 下緩慢升壓至5GPa，再啟動加熱程序加熱至1000°C,在高溫高壓條件下 保溫15分鐘后，淬火至室溫，最后緩'隄卸壓。
(3) 將高溫高壓合成的單相ScMn03多鐵樣品進(jìn)行不同溫度的低溫 熱處理在管式爐中，在氧氣氛中將該樣品在500。C下進(jìn)行熱處理，熱處 理時間為12h。
實施例2:利用高溫常壓固態(tài)反應(yīng)方法制備單相ScMn03多鐵陶資樣
加O
(1)將99.9%高純的Sc203和,203氧化物粉末以1:1的摩爾比混 合、研磨均勻，在箱式電阻爐中，900°C的條件下進(jìn)行初步燒結(jié)，保溫24h。
(2) 將初步燒結(jié)后的混合物粉末碾磨均勻，用壓力機壓成直徑為 10mm的小圓片，然后再放入箱式電阻爐中進(jìn)行第二次充分燒結(jié)，燒結(jié)條 件為1200。C,保溫48h。
(3) 將高溫常壓合成的單相ScMn03多鐵樣品進(jìn)行低溫?zé)崽幚碓?管式爐中，在氧氣氛中將該樣品在500。C下進(jìn)行熱處理，熱處理時間為 12h。
如圖1所示，本發(fā)明所涉及的高溫高壓方法，與常壓下傳統(tǒng)的固態(tài) 反應(yīng)方法都制備了較純的單相ScMn03多鐵陶資樣品。但后者制備的樣品 相對密度較低，僅達(dá)到70%左右，而本發(fā)明的高溫高壓方法制備的樣品 密度高達(dá)95%。從掃描電鏡的照片中(如圖2a、圖2b所示)也可以看 出，常壓燒結(jié)方法得到的樣品的顆粒之間排列比較疏松，有較多的氣孔 存在，而高壓方法制備的樣品具有很高的致密性，高致密度是獲得高質(zhì) 量陶瓷的必要條件，并且有助于改善材料的鐵電性能。高溫和高壓都會 使樣品產(chǎn)生氧空位，氧空位作為電荷缺陷在外加電壓的條件下會產(chǎn)生電 荷載流子從而增加樣品的導(dǎo)電性產(chǎn)生漏電流。漏電流不利于樣品的鐵電 信號的獲得，因此為了研究樣品的致密度以及樣品中的氧空位遷移對樣 品漏電流以及對樣品鐵電測試結(jié)果的影響，我們給出了高壓方法、常壓 方法獲得的及氧氣中退火處理后的樣品的漏電流隨電壓變化關(guān)系的比 較，如圖3所示。高壓方法制備的樣品的絕緣性能較好，電阻為2.33 x 101()比常壓燒結(jié)的樣品電阻大IO倍左右，氧氣氛下熱處理后的樣品由于 部分氧空位的消除使樣品的漏電流有了較大程度的減小，樣品表現(xiàn)出更 好的絕緣性能，電阻為5.12x 101G。如圖4a、圖4b所示，該圖給出了高 溫常壓和高溫高壓方法制備的樣品熱處理后的電滯回線的比較，高壓方 法制備和氧氣氛中退火處理使ScMn03多鐵材料的表現(xiàn)出更好，更本證的 鐵電性能。
權(quán)利要求
1、一種改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，具體為1)將99.9％高純的Sc2O3和Mn2O3氧化物粉末以1∶1的摩爾比混合、研磨均勻，在800-1000℃的條件下進(jìn)行初步燒結(jié)，保溫12-48h；2)將初燒后的混合物均勻研磨后進(jìn)行包裹封裝，并在4-5Gpa、900-1150℃的條件下進(jìn)行保溫保壓10-30分鐘，來合成樣品，然后將樣品淬火至室溫，并卸壓；3)在加熱爐中O2氛圍下將高壓制備的單相ScMnO3陶瓷樣品做低溫?zé)崽幚?，熱處理的溫度范圍?00-600℃，熱處理時間為8-20h。
2、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述步驟l)中初步燒結(jié)的優(yōu)選溫度是900。C，優(yōu)選保溫時 間是12小時。
3、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述步驟2)中處理條件的優(yōu)選值是在5Gpa、 1000。C的條 件下進(jìn)行保溫保壓15分鐘。
4、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述步驟3)中熱處理的優(yōu)選溫度是500。C,優(yōu)選保溫時間 是12小時。
5、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述步驟2中混合物被包裹在金箔中，并封裝在氮化硼管 內(nèi)。
6、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述加熱爐為石墨加熱爐或箱式電阻爐。
7、 如權(quán)利要求1所述的改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，其特 征在于，所述步驟2)中樣品合成在六面頂大壓機上進(jìn)行，具體為 首先進(jìn)行溫度和壓力的標(biāo)定，用控制加熱功率的方法控制加熱溫度； 在室溫下緩慢升壓至5GPa,再啟動加熱程序加熱至IOO(TC，在高溫 高壓條件下保溫15分鐘后，淬火至室溫，最后緩慢卸壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善單相多鐵陶瓷材料鐵電性能的方法，具體為將99.9％高純的Sc₂O₃和Mn₂O₃氧化物粉末以1∶1的摩爾比混合、研磨均勻，在900℃的條件下進(jìn)行初步燒結(jié)，保溫12小時；將初燒后的混合物均勻研磨后進(jìn)行包裹封裝，并在5GPa、1000℃的條件下進(jìn)行保溫保壓15分鐘，來合成樣品，然后將樣品淬火至室溫，并卸壓；在加熱爐中O₂氛圍下將高壓制備的單相ScMnO₃陶瓷樣品做低溫?zé)崽幚恚瑹崽幚淼臏囟葹?00℃，熱處理時間12h。本發(fā)明用高溫高壓固態(tài)反應(yīng)方法制備了高致密的單相多鐵陶瓷材料ScMnO₃，然后進(jìn)行氧氣中低溫?zé)崽幚怼Ｍㄟ^測試我們發(fā)現(xiàn)，該材料的相對密度超過95％，遠(yuǎn)大于常壓制備的樣品密度70％左右，電阻也有了很大的增加，表現(xiàn)出更好的絕緣性和鐵電性能。
文檔編號C04B35/622GK101648813SQ20091009238
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者朱金龍, 王麗娟, 靳常青 申請人:中國科學(xué)院物理研究所