[发明专利]一种铁、镧掺杂锆钛酸铅反铁电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁、镧掺杂锆钛酸铅(PLZT)反铁电陶瓷及其制备方法。

背景技术

反铁电材料最显著的特征是由于反平行偶极子的存在具有双电滞回线，然而目前发现可以在常压下制备的具有反平行极化的反铁电材料并不多。反铁电材料的结构类型主要有两种：一种是NaNbO₃型，其反平行偶极子是沿着假立方钙钛矿晶胞边的对角线，另一种是PbZrO₃型，其反平行偶极子是沿着假立方钙钛矿面的对角线。在这两种反铁电材料中，PbZrO₃基型的反铁电材料可以在电场的作用下发生从反铁电相到铁电相的转变，并伴随很大的应变及电荷释放，因此是一种具有重要作用价值的反铁电材料。反铁电陶瓷电介质是由反铁电体PbZrO₃或者以PZT为基的固溶体所组成。

反铁电陶瓷是较好的高压陶瓷介质材料，其介电常数与铁电陶瓷相近，但无铁电陶瓷那种容易介电饱和的缺点。在较高的直流偏场下，介电常数随外电场的增加不是减小而是增加，只有在很高的电场下才会出现介电饱和，而且反铁电陶瓷可以避免剩余极化，是较适合作为高压陶瓷电容器的材料。反铁电体是比较优越的储能材料，用它制成的储能电容器具有储能密度高和储能释放充分的优点。研究表明，La³⁺的掺杂破坏了结构中铁电态的长程有序排布，从而抑制了铁电态的稳定区域范围，其可能原因是La³⁺对Pb²⁺位的取代是一种非等价电荷取代，从而改变了晶体结构中的电荷平衡态，在一定程度上影响了各晶相间的排布，进一步地对材料性能产生影响。此后的一系列研究也表明，La³⁺对PZT材料的掺杂改性一方面导致了铁电三方和四方相的弥散相变，另一方面还增加了PZT相图中富锆区域的正交反铁电相(AFE)的稳定区域。La³⁺含量的增加，正常的μm数量级的铁电畴并没有被打破，但是La³⁺的掺杂在一定程度上抑制了PLZT材料中的长程铁电有序分布，从而使得反铁电相界部分扩大，这也与前面的研究结论一致。此外，La³⁺的掺杂改性还有许多作用，例如提高磁化强度相对于磁滞回线的垂直度，降低诱导电场强度，提高介电和压电特性，扩大电机械耦合系数，提高机械顺从度和透明度等等。

现有的PLZT材料相对介电常数较大，烧结温度较高，有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术的相对介电常数较大，烧结温度较高的缺点，在现有的PLZT材料基础上，添加铁、镧等元素来降低相对介电常数及其烧结温度。本发明的铁、镧掺杂锆钛酸铅(PLZT)反铁电陶瓷能够在室温下显示双电滞回线。

本发明通过以下技术方案予以实现，具体步骤如下：

(1)配料

将原料Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂、La₂O₃、Fe₂O₃、Li₂O、Bi₂O₃按Pb_0.88La_0.12(Zr_0.700Ti_0.30)_0.97O₃+xFe³⁺+yBi³⁺+zLi¹⁺，式中x＝0～4.0％，y＝0～0.3％，z＝0～2.0％的化学计量比配料，所述Li₂O，Bi₂O₃为助烧剂；再于球磨罐中混料，球∶料∶水的重量比为2∶1∶0.5，球磨时间为4h，再将原料烘干；

(2)预合成

将步骤(1)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900℃合成2h；

(3)成型及排塑

将步骤(2)的合成料再次球磨、烘干，外加质量百分比为7wt％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在300Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以3℃/min的速率将坯体升温至200℃，再以1.5℃/min速率从200℃升至400℃，在400℃保温30min后，以5℃/min的速率升至650℃并保温10min，排出有机物；

(4)烧结