[发明专利]钕和钒复合掺杂钛酸铋粉体及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Nd和V复合掺杂钛酸铋粉体及制备方法，属于功能陶瓷粉体制备领域。

背景技术

钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)是含铋层状化合物大家族中结构最简单、研究得最多的铁电体。它具有低的介电常数，高的居里点和大的自发极化，在电容器，高温压电传感器和光电器件等方面得到广泛应用。另外，从环境保护的角度来看，钛酸铋无铅的优点有可能使它成为目前被广泛应用的锆钛酸铅基压电陶瓷的替代物。

近来，钛酸铋基材料在永久性随机存储器(Non-volatile Ramdom AccessMemories)领域的潜在应用价值，引起了人们对其广泛的关注，其中1999年Nature上报道了镧取代部分铋的钛酸铋镧薄膜材料具有很大的发展潜力。但是钛酸铋由于其自身晶体结构的特点，存在四大方面的缺点：

1、矫顽电场高，不利于极化；

2、高的漏导和畴偏转；

3、有限的自发极化取向能力，剩余极化低，压电活性低；

4、主极化方向在a-b面，但是漏导也同时在a-b面。

这极大限制了该材料的实际应用，因此对钛酸铋材料的改性研究显得极其重要。研究发现钕(Nd)掺杂的BIT(钛酸铋)薄膜剩余极化(P_r)得到了很大的提高，电导和介电损耗比未掺杂的BIT薄膜要小得多。虽然Nd的添加可以改善材料的铁电性能，但是却引起材料居里温度的强烈降低，不利于材料在高温下的应用。钒作为高价离子，掺杂进入晶格不仅能降低烧结温度和电导，提高剩余极化强度，而且对材料居里温度的影响很小。

目前，钛酸铋陶瓷的制备大多以固相反应法合成的粉体作为原料。由于这种粉体的粒径较大，团聚严重，烧结活性低，材料的烧结温度通常高于1000℃。已有的研究结果表明，当钛酸铋的烧结温度达到1050℃时，就会引起Bi元素的严重挥发，导致材料中缺陷的大量产生，进而影响材料的性能。近年来，已有不少利用湿化学法(如溶胶-凝胶法、水热法和共沉淀法)合成钛酸铋超细粉的的研究报道。为适应现代电子工业发展要求，克服现有钛酸铋超细粉体的不足，需寻找具有新的组成的钛酸铋粉体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粒径小、烧结活性高、电性能好的钕和钒复合掺杂的钛酸铋(BNTV)粉体及其制备方法。

本发明的基本构思是钕离子与铋离子所带电荷相同，故钕离子易取代钙钛矿结构的钛酸铋中的铋离子(A位)进入晶格。钕的添加可以改善材料电学性能，但掺杂量高时会导致材料居里温度的强烈降低。高价钒施主掺杂取代钙钛矿结构中的钛离子(B位)对居里温度影响小，同时有利于降低烧结温度和介电损耗，改善极化性能。故适量的钕和钒复合掺杂可以保证在居里温度较高的情况下得到电学性能良好的材料。除组分设计外，目前尚无将两种离子通过共沉淀的方法掺杂到钛酸铋中的报道。本发明在选择组分设计的同时采用共沉淀法制备出BNTV超细粉体，并通过无压烧结获得性能良好的复合掺杂钛酸铋(BNTV)陶瓷。

本发明提供的具有优良物理性能的钕和钒复合掺杂钛酸铋粉体的组成通式为Bi_4-xNd_xTi_3-yV_yO_12+y/2，式中x＝0.1-1.0，y＝0.01-0.1。本本发明优先推荐的x值为0.1-0.56。发明是通过下列方式实施的：以纯度不低于化学纯的氧化钕(Nd₂O₃)、五氧化二钒(V₂O₅)、五水硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)、和钛酸丁酯((C₄H₉O)₄Ti)为起始原料，采用共沉淀法制备钕和钒复合掺杂的钛酸铋(BNTV)超细粉体。通过无压烧结获得性能良好的复合掺杂钛酸铋(BNTV)陶瓷。

具体地说：

钕和钒复合掺杂的钛酸铋粉体的化学组成式为：Bi_4-xNd_xTi_3-yV_yO_12+y/2，式中X＝0.1-1.0，y＝0.01-0.1，

(1)按照钕的摩尔数(x值)在0.1-1.0，钒的摩尔数(y值)在0.01-0.1范围内设计组分。