[发明专利]一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法

说明书

本发明涉及一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，包括：（1）将铁电陶瓷粉体和粘结剂混合后压制成型，再经脱粘和烧结，得到铁电陶瓷块体；（2）对铁电陶瓷块体施加外加电场进行极化处理，再经捣碎和研磨，得到极化富氧空位铁电粉体。

技术领域

本发明涉及增强铁电材料湿敏性能的方法，尤其是涉及一种铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，具体涉及一种极化富氧空位铁电粉体及其制备方法和应用。

背景技术

湿度传感器在人类日常生产生活中起到了重要的作用，广泛应用于医疗、农林、化工、食品、气象、科研等众多领域。湿敏材料是湿度传感器的核心部分，目前常见的湿敏材料包括金属氧化物、光子晶体、聚合物和石墨烯复合材料等。但是这些材料存在合成工艺复杂，灵敏度低、响应和恢复时间长等缺点，不利于湿度传感器的大规模应用。湿敏材料对水分子的吸附能力决定了湿度传感器性能的优劣。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，具体提供了一种极化富氧空位铁电粉体及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供了一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，包括：

(1)将铁电陶瓷粉体和粘结剂混合后压制成型，再经脱粘和烧结，得到铁电陶瓷块体；

(2)对铁电陶瓷块体施加外加电场进行极化处理，再经捣碎和研磨，得到极化富氧空位铁电粉体。

本发明中，铁电材料因极化在表面产生束缚电荷，空气中的水分子或羟基能够吸附在其表面来屏蔽这些束缚电荷。因此，铁电极化能够促进水分子或羟基的吸附，而表面氧空位则为水分子或羟基提供了大量的吸附位置。因此，通过一种铁电极化和氧空位的协同效应来提升铁电材料的湿敏性能，对高灵敏度传感器的发展是十分有意义的。

较佳的，所述铁电陶瓷粉体为具有湿敏特性的铁电材料，优选选自BiFeO₃粉体、BaTiO₃粉体、K_1-xNa_xNbO₃粉体(x＝0～1)、LiNbO₃粉体、Na_1-yBi_yTiO₃粉体(y＝0.45～0.55，优选0.5)、(Ba_1-zSr_z)TiO₃粉体(0＜z≤1，优选0.5)、Bi_1-bK_bTiO₃粉体(b＝0.4～0.6，优选0.5)中的至少一种或两种以上的掺杂复合(例如至少两种的掺杂复合，mBiFeO₃-(1-m)BaTiO₃复合粉体(0＜m＜1)、或nBaTiO₃-(1-n)Bi_0.5Na_0.5TiO₃复合粉体(0＜n＜1))；所述铁电陶瓷粉体的粒径为0.1～10μm，优选为0.1～5μm，更优选为0.2～2.5μm。上述具有湿敏特性的铁电材料也可以进行元素掺杂。

较佳的，所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种；所述粘结剂的加入量为铁电陶瓷粉体质量的10～30wt％。

较佳的，所述脱粘的温度为600～650℃，时间为30～60分钟；

所述烧结的温度为750～1300℃(优选850～1300℃)，烧结的时间为1～4小时；

优选地，所述脱粘和烧结的升温速率为3～10℃/min。

较佳的，所述极化处理为：将铁电陶瓷块体抛光并两面披覆金属电极后置于硅油中，设置极化温度为25～80℃，极化电压为10～50kV/cm，极化时间为5～60分钟。