[发明专利]一种低频多铁性颗粒磁电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有磁电耦合效应的无铅无毒的低频多铁性纳米颗粒磁电复合材料及其制备方法。

背景技术

在器件微型化、需求多样化的现代生活和生产中，越来越迫切的需要同时具备多功能的材料，多铁性材料就是其中的一类典型代表。多铁性材料同时具备铁电、铁磁等多种磁性，而且由于不同铁性之间的耦合作用，而具有磁电效应等新的性能，大大开拓了铁性材料的应用范围。磁电效应是指施加磁场引起电极化变化的效应，或者施加电场引起磁极化变化的效应。磁电电压耦合系数是表征材料磁电耦合效应的一个重要指标，其定义为α_E＝dE/dH，其中，E为材料的电场输出，H为所施加的外部磁场。磁电耦合效应的发现为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件等技术提供了巨大的应用潜力。

目前，具有磁电效应的材料可分为三大类，包括单相化合物多铁性材料、复相颗粒混合多铁性材料和层状多铁性材料。一般复合材料具有比单相化合物高得多的磁电效应，目前报道的单相材料中磁电系数比较大的值也只有60μV·cm^-1·Oe^-1，因此复合材料一直是人们研究和开发的重点。第一个磁电复合材料是在20世纪70年代被报道出来的，是将压电材料BaTiO₃和压磁材料CoFe₂O₄的颗粒复合在一起形成两相的多铁性磁电材料。随后，类似的诸如Co_0.9Cd_0.1Fe₂O₄/PZT、CoFe₂O₄/BaTiO₃、Ni_0.8Zn_0.2Fe₂O₄/Sr_0.5Ba_0.5Nb₂O₆、NiFe₂O₄/Ba_0.8Sr_0.2TiO₃和Bi_0.8La_0.2FeO₃/CoFe₂O₄等磁电材料都被合成出来并得到具体的研究。但是这些复相颗粒混合多铁性材料中大都含有有害物质铅，对环境污染严重，不利于长远考虑。另外一些复相颗粒混合多铁性材料中的Ba元素的氧化物原料也是有毒物质，不利于工业大量生产。中国专利ZL03132167.4报道的纵向耦合模式下的磁电复合材料矩形片在一阶纵向共振频率约60KHz时的磁电电压系数也达到了8.7V/(cm·Oe)。尽管这些磁电复合材料的结构的磁电效应有大幅度提高，但是它们的工作频率却较高，这使能量在耦合过程中的损耗较大，从而降低了磁电耦合的能量转换效率。层状磁电复合材料相对于之前的颗粒复合材料，克服了以往体系的电阻率低，不容易极化等弱点，磁电性能有巨大提高，从mV/(cm·Oe)级别突破到V/(cm·Oe)级别，可以说是磁电复合材料制备上的一大飞跃。但是层状复合材料在复合中往往使用树脂类胶将铁电相和铁磁相粘合在一起，所以容易脱落和老化，不易长久保存和使用，在实际使用中往往受到限制。此外，绝大部分复合材料所采用的压电相材料都含有铅，这对环境会带来很大的污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种无毒无害，磁电耦合系数较好，经久耐用，在较低工作频率下工作的复相纳米颗粒混合多铁性材料。

铁酸钴(CoFe₂O₄)是众所周知的具有尖晶石结构的磁性材料，它具有高电阻率和高压磁系数的特性。尽管锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)比一般的压电材料具备更高的压电系数，但是从环保的角度来看，急需发展新的材料用以替代这类含铅的压电类材料。铌酸钠钾基类压电材料，尤其是0.948(K_0.5Na_0.5)NbO₃-0.052LiSbO₃(KNN-LS5.2)无铅无毒压电陶瓷是很理想的一个替代品，它在室温下展示出高自发极化、高介电常数和高压电系数，其k₃₃～62％和d₃₃～265pC/N。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。