[发明专利]一种室温铁电性氧化钛陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种室温铁电性氧化钛陶瓷及其制备方法和应用，属于功能性介电陶瓷材料制备技术领域。本发明解决了现有金红石型TiOsubgt;2/subgt;陶瓷不具有室温铁电性的问题。本发明通过掺杂改性的方式改性陶瓷性能，采用+5价离子和+3价离子同时掺杂，使掺杂陶瓷在外电场作用下具有自发极化效应，具有铁电性。同时，+5价离子和+3价离子受到不同的作用力而相互靠近，实现局域应力场的构建，使自发极化效应可以在室温下稳定存在。此外，本发明的改性方法不仅使金红石型二氧化钛具有铁电相的室温稳定性，同时其介电常数也有显著提高。

技术领域

本发明涉及一种室温铁电性氧化钛陶瓷及其制备方法和应用，具体涉及一种掺杂改性氧化态陶瓷获得室温铁电性的制备方法，属于功能性介电陶瓷材料制备技术领域。

背景技术

铁电体是一类重要的电介质，因其在一定温度范围内存在自发极化，而被广泛用于传感器、存储器件和光学器件领域。先兆性铁电体是一种与常规铁电体不同的特殊电介质，其具有铁电性可由外界条件变化引发的特点，在微波介质材料领域具有潜在的应用价值。由于量子涨落限制了先兆性铁电体长程铁电有序的建立，导致其在宏观上不具有铁电性。金红石型TiO₂是典型的先兆性铁电体，低温和室温下均不展现出铁电性。利用掺杂、应力或电场诱导等手段，抑制量子涨落，可以使其发生铁电相的转变。目前，虽然在二维材料中，通过施加应力或利用掺杂引入应变可以得到明显的铁电性，但在块体材料中很难实现。因此，如何在TiO₂陶瓷材料中构建局域自发极化电场，并同时引入应力场使其在室温下稳定，是实现TiO₂陶瓷室温铁电性的关键。

基于上述问题，迫切需要提供一种能够实现金红石型TiO₂陶瓷具有室温铁电性的方法。

发明内容

本发明为了实现金红石型TiO₂陶瓷具有室温铁电性，提供一种室温铁电性氧化钛陶瓷及其制备方法和应。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一是提供一种室温铁电性氧化钛陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1，将金红石型氧化钛和改性原料加入到乙醇溶剂中，采用纳米砂磨工艺混合均匀；

所述改性原料由Nb₂O₅、Ta₂O₅和Al₂O₃组成；

S2，将S1获得浆料烘干，得到粉体，并通过高温烧结制得预烧粉；

S3，将预烧粉和粘结剂进行混合处理，压制成预制块体，高温烧结，退火，得到成品。

进一步限定，S1中Nb₂O₅、Ta₂O₅和Al₂O₃的摩尔比为(0.6-0.7):(0.3-0.4)：1。

进一步限定，S1中改性原料占金红石型氧化钛的摩尔分数为0.005-0.020mol％。

进一步限定，S1中乙醇为无水乙醇，用量为金红石型氧化钛和改性原料总质量的5-5.2倍。

进一步限定，S1中纳米砂磨工艺条件为：转速2000-2500rad/min，循环周期为5min，砂磨时间5-6h，温度20-30℃。

进一步限定，S2中烘干温度60-80℃，时间4-6h。

进一步限定，S2中高温烧结温度800℃，时间2h，升温速率为5℃/min。

进一步限定，S3中粘结剂是体积分数为5vt％的PVA水溶液。

更进一步限定，PVA分子量为10000。