[发明专利]一种层状钙钛矿结构陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种层状钙钛矿结构陶瓷及其制备方法。

背景技术

磁电多铁性材料是指在某个温区内，同时表现出铁电序和铁磁/反铁磁序，且彼此之间存在某种耦合的材料。近年来，因为多铁性材料不但可以用在铁电和磁性设备的研发上，更为重要的是其能利用磁电之间的耦合，即施加电场可以调控铁磁极化和施加磁场可以调控铁电极化，为设备的设计和应用提供了附加的一个自由度，从而在新兴的自旋电子学、多态信息存储、电驱动铁磁谐振器及磁调控压电传感器上表现出极为诱人的前景。

在已发现的多铁性材料中，钙钛矿结构材料由于含有Bi-O层作为空间电荷库和绝缘层，可有效降低材料中的漏电流，得到人们的广泛重视。具有简单钙钛矿ABO₃型结构的BiFeO₃（BFO）是一种无铅的环境友好型材料，具有远高于室温的铁电居里温度和反铁磁尼尔温度，但其纯相材料的制备困难，并且材料中较高的氧空位浓度和低价Fe²⁺离子的存在容易导致高漏导，破坏其铁电性能，限制了BFO材料的应用。钛酸铋（Bi₄Ti₃O₁₂，BTO）也为典型的含铋层状钙钛矿结构，其具有较高的居里温度和自发极化，其较强的铁电性来自Bi³⁺离子的6s²孤电子对。

BFO材料与BTO材料相结合可形成结构式为Bi_n+1Fe_n-3Ti₃O_3(n+1)（其中n为等于或大于3的整数，BFTO）的层状钙钛矿多铁性材料，2个铋氧层（Bi₂O₂）²⁺之间含有3个钛氧（Ti-O）八面体和一个或多个（Fe-O）八面体，其多铁性分别来源于铁电单元（BTO）和多铁单元（BFO）。BFTO可以有效利用铋氧层的绝缘作用来抑制磁性单元由于氧空位和Fe多价态导致的漏电流，但其仍表现为室温反铁磁性，在实际应用中受到了限制。研究结果表明A位掺杂可改善材料的铁电性能，降低样品的漏电流；B位掺杂可改善材料的铁磁性能。

公开号为CN 102167584A的中国专利公开了一种具有多铁性能的五层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法，在B位掺杂钴离子，可实现铁钴离子之间的耦合，进而提高材料的铁磁性能，但材料的铁电性能没有得到改善，并且采用固相烧结工艺，烧结温度较高，难以获得单相层状钙钛矿结构。公开号为CN 101704669A的中国专利公开了一种具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸镧铋陶瓷及其制备方法，其在A位掺杂高价态的镧离子，B位掺杂Co离子，同时提高材料的铁电性能和铁磁性能，但A位为稀土元素掺杂，并且同样采用固态烧结工艺。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种层状钙钛矿结构陶瓷及其制备方法，该陶瓷为A位掺杂低价态金属元素的单相层状钙钛矿结构材料，并且具有良好的铁电性能和铁磁性能。

本发明提供了一种层状钙钛矿结构陶瓷，如式（I）所示：

Bi_(n+1-x)Sr_xFe_(n-3)/2Co_(n-3)/2Ti₃O_3(n+1)        （I）

其中，0＜x≤1,n≥4，且n为整数。

本发明提供了上述层状钙钛矿结构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

A）将钛酸酯类化合物、铋源化合物、锶源化合物、铁源化合物与钴源化合物按金属离子的比例溶于溶剂，加入络合剂混合搅拌，将pH值调节至4~7后，加热蒸干燃烧成粉，预烧后得到粉体；

B）将所述粉体压片，进行热压烧结，得到层状钙钛矿结构陶瓷。

优选的，所述铋源化合物为硝酸铋、碱式碳酸铋或草酸铋。

优选的，所述锶源化合物为硝酸锶、碳酸锶、草酸锶或乙酸锶。

优选的，所述铁源化合物为硝酸铁或草酸铁。

优选的，所述钴源化合物为硝酸钴、草酸钴或乙酸钴。

优选的，所述络合剂为乙二胺四乙酸和/或柠檬酸。

优选的，所述络合剂与金属离子的摩尔比为1~2.5∶1。

优选的，所述预烧的温度为700℃~900℃，时间为2~5h。

优选的，热压烧结的温度为600℃~900℃，压力为5~30MPa。