[发明专利]一种基于溶胶凝胶法制备钛酸铜铋钠介电材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种使用改进的溶胶凝胶法合成巨介电常数的钛酸铜铋钠(Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂)陶瓷介电材料的合成方法。

背景技术

近几十年来，微电子产业已成为各国国民经济的重要支柱。纵观微电子技术发展的过程，电子元器件的集成化、小型化和高速化是微电子技术发展的主要驱动力。电介质材料是电子和微电子器件中的核心材料，如动态存储器(Dynamic random access memory，即DRAM)和多层陶瓷电容器(Multilayer ceramic capacitor，即MLCC)等，因此，高介电常数材料已成为在这些领域中具有巨大应用潜力的材料。

近十年来，一些具有巨介电常数的非铁电材料引起了人们的广泛关注，如Bi_2/3Cu₃Ti₄O₁₂、Pr_0.6Ca_0.4MnO₃、AFe_1/2B_1/2O₃(A＝Ba,Sr,Ca；B＝Nb,Ta,Sb)。尤其是2000年M.A.Subramanian等人发现具有钙钛矿结构的CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)。在低频下，其介电常数在12000左右，并在很宽的温度范围内介电常数数值几乎不变，使其在高密度能量存储和高介电电容器等器件中蕴藏着巨大的应用潜力。直到2006年，Matthew C.Ferrarelli等人发现Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂(NBCTO)陶瓷的介电常数在-173～127℃也达到了10⁴，而NBCTO陶瓷具有更低的烧结温度和更低的介电常数，因此对于NBCTO巨介电材料的研制，具有十分重要的实际意义。

选择适当的制备方法是改善陶瓷介电性能的有效途径之一。据文献报道，NBCTO巨介电材料陶瓷的制备方法主要有：固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、聚合络合法和熔盐法等。合成陶瓷粉体最常用的方法是固相法，该方法成本低，设备和操作简单，但是其方法制备的陶瓷粉体均匀性差，纯度低，烧结温度高。此外，溶胶-凝胶法已广泛报道应用于陶瓷材料的合成，溶胶-凝胶法以有机醇盐、无机盐混合溶液为原料，经过溶胶、凝胶、凝胶干燥和焙烧等步骤，得到特定晶型的纳米粉体。此类方法制备出来的陶瓷粉体具有烧结温度更低，烧结后陶瓷的致密度更高等优点，有利于降低陶瓷的损耗和提高介电常数。

发明内容

本发明的目的，在于使用一种改进的溶胶-凝胶法制备钛酸铜铋钠纳米粉体，以价格相对低廉的硝酸盐代替成本较高的醋酸盐，同时利用纳米粉体较高的反应活性促进其降低烧结温度，并优化陶瓷材料的性能，以达到降低合成钛酸铜铋钠巨介电材料生产成本的目的。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种基于溶胶凝胶法制备钛酸铜铋钠介电材料的方法，具有如下步骤：

(1)配制溶液1：将钛酸酯和硝酸铋按照10:1的摩尔比，在加入乙酰丙酮作为稳定剂的情况下溶解于乙二醇中，其中乙二醇：酞酸丁酯：乙酰丙酮的体积比约为10:10:1。

(2)配制溶液2：按照Na:Bi:Cu:Ti摩尔比为1:1:6:8的比例，即Na_0.5Bi_0.5Cu₃Ti₄O₁₂的化学计量比，将硝酸钠、硝酸铋和硝酸铜溶于柠檬酸的水溶液。

所述柠檬酸和水的质量比为1:2，再于80℃蒸发水份至溶液体积不再变化；

(3)将溶液1和溶液2混合，充分搅拌后85℃水浴8小时，使两种溶液充分混合并且反应完全，得到凝胶。

(4)将步骤(3)的凝胶置于250℃～450℃下使其发生自蔓延燃烧反应，从而得到钛酸铜铋钠纳米粉料。

(5)在将步骤(4)的粉料添加1.5％的聚乙烯醇作为粘合剂，混合后放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，球磨9～12小时后烘干过80目筛进行造粒，再用粉末压片机压制成坯体；