[发明专利]一种高介电常数低介电损耗铁电陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料制备技术领域，特别涉及含铁、含钪弛豫铁电体基 铁电陶瓷的制备方法，以及通过优化工艺和化学掺杂的方法获得高介电常数低介 电损耗的铁电陶瓷。

背景技术

B位氧化物预合成法是铌铁矿/钨锰铁矿预合成法(columbite/wolframite precursor method)的改进，该方法将钙钛矿结构中B位氧化物同时进行预先热处 理，无需分别制备不同的铌铁矿/钨锰铁矿结构的前驱体。B位氧化物预合成法形 成的中间体化合物，结构介于铌铁矿/钨锰铁矿前驱体及其固溶体之间(铌铁矿/ 钨锰铁矿预合成法)，预合成产物中没有Nb₂O₅的存在，从而避免了Nb₂O₅与PbO 反应生成焦绿石相。焦绿石相结构稳定，在烧结过程中难以转化成钙钛矿结构， 是导致铁电材料介电性能劣化的主要原因。与铌铁矿/钨锰铁矿预合成法相比，B 位氧化物预合成法有效地减少了烧结过程中铅的挥发、抑制了陶瓷制备过程中焦 绿石相的生成、增加了钙钛矿结构的稳定性、提高了钙钛矿相的百分含量。

弛豫铁电体由于具有较大的介电常数、良好的温度系数、优良的压电、铁电 性能和较低的烧结温度，在多层陶瓷电容器、驱动器和换能器工业有着广泛的应 用(T.R.Shrout，A.Halliyal，Am.Ceram.Soc.Bull.，66(1987)704-711)。其中，铅 基1∶1型复合钙钛矿结构的PFN和PScN尤其引人注意：PFN具有较大的介电常数 和低温烧结性能，呈现弥散型的介电响应峰，其介电常数在T_m以下某个温度呈现 非连续性变化。虽然PFN是组分无序的铁电体，但是T_m不象典型的弛豫铁电体那 样随着测试频率变化(S.A.Ivanov，R.Tellgren，H.Rundlof，N.W.Thomas，S. Ananta，J.Phys.：Condens.Matter，12(2000)2393-2400)。PScN是典型的弛豫铁电 体，其钙钛矿结构中B位离子的有序度可以通过热处理控制(M.Adachi，E. Miyabukuro，A.Kawabata，Jpn.J.Appl.Phys.，33(Part 1，9B)(1994)5420-5422)。 Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)固溶体在准同型相界(morphotropic phase boundary，MPB) 组成附近有着反常的介电、压电、机电耦合响应，在压电、机电驱动器、换能器 工业有着重要的应用。异价离子(heterovalent cations)在钙钛矿结构中的排列、 静电相互作用及对钙钛矿结构的稳定化作用极大地影响了材料的物理性能，因 此，研究PFN、PScN基固溶体钙钛矿结构的形成、MPB组成、电性能及在陶瓷 电容器工业中的应用有着重要的意义。

目前，PFN、PScN基铁电陶瓷通常采用固相反应的方法制备，为了充分利 用PFN的低温烧结性能和降低PFN、PScN基铁电陶瓷的介电损耗，需要加入其 它钙钛矿结构的铁电体以形成固溶体。该方法制备的铁电陶瓷钙钛矿结构的稳定 性和钙钛矿相的百分含量有待提高，介电损耗偏大，介电常数的频率色散现象尤 其是在高温顺电相区的频率色散现象较明显、并伴随着较大的介电损耗。与固相 反应法相比，B位氧化物预合成法，将钙钛矿结构中B位氧化物同时预先热处理 (无需分别制备不同的铌铁矿/钨锰铁矿结构的前驱体)，预合成产物中没有 Nb₂O₅的存在，从而避免了Nb₂O₅与PbO反应生成焦绿石相(Bijun Fang，Renbing Sun，Yuejin Shan，K.Tezuka，H.Imoto，J.Mater.Sci.，42(22)(2007)9227-9233)。焦 绿石相结构稳定，在烧结过程中难以转化成钙钛矿结构，是导致铁电材料介电性 能劣化的主要原因。

发明内容