阅读说明：本技术 一种采用低熔玻璃助剂常压烧结铁酸铋陶瓷及其制备方法 (It is a kind of to use normal pressure-sintered bismuth ferrite ceramics of low-melting-point glass auxiliary agent and preparation method thereof ) 是由 曾一明 白培加 韩娇 李宇彤 李明伟 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铁酸铋陶瓷,其特征在于,由以下重量百分比的原料制成：BiFeO<Sub>3</Sub>粉体95-99.8％、玻璃助剂0.2-5％；上述制备方法为步骤(1)按照一种采用低熔玻璃助剂常压烧结的铁酸铋陶瓷的重量百分比称取各原料混合获得混合物料；步骤(2)在步骤(1)中所述的混合物料中加入无水乙醇搅拌混合,压制,烧结获得铁酸铋陶瓷；本发明中制备的铁酸铋陶瓷具有低漏电流密度、低介电损耗。(The invention discloses a kind of bismuth ferrite ceramics, which is characterized in that is made of the raw material of following weight percent: BiFeO 3 Powder 95-99.8%, glass agent 0.2-5%；Above-mentioned preparation method weighs each raw material mixing according to a kind of weight percent of bismuth ferrite ceramics normal pressure-sintered using low-melting-point glass auxiliary agent for step (1) and obtains mixed material；Absolute ethyl alcohol and stirring mixing, compacting is added in step (2) in the mixed material described in step (1), sintering obtains bismuth ferrite ceramics；The bismuth ferrite ceramics prepared in the present invention have low leakage current density, low-dielectric loss.)

一种采用低熔玻璃助剂常压烧结铁酸铋陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子信息功能陶瓷材料技术领域，特别是在铁电陶瓷制备应用方面，更具体的说是涉及一种采用低熔玻璃助剂常压烧结铁酸铋陶瓷及其制备方法。

背景技术

近几十年来，多铁性材料饱受关注，主要是因为它们在一定温度范围内同时表现出铁电性和铁磁性。多铁材料的磁电效应有望在新性能开发和应用中得以运用，如致动器，能量收集装置和存储元件等，为下一代多功能电子信息材料的设计提供了一个额外的自由度。

目前，钙钛矿结构的BiFeO₃是最受欢迎的多铁材料，因为它具有最高的铁电居里温度(TC≈1103K)和较高反铁磁性Néel温度(TN≈683K)。其中，Bi原子6s孤对电子与O原子2p轨道之间的杂化作用导致BiFeO₃具有优异的铁电性能(100μC/cm²)。尽管BiFeO₃被认为是最有前途的多铁性材料，但它存在着一系列的严重问题，如漏电流密度大、介电损耗大、磁电耦合效应弱等。这些缺陷源于制备过程中Bi₂O₃的挥发、Fe离子价态波动(Fe³⁺→Fe²⁺)、杂项的产生等原因。

因此，研制一种能够采用软化温度较低、且含有Bi₂O₃作补充的玻璃助剂制备BiFeO₃陶瓷是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够低漏电流密度及高铁电性能的铁酸铋陶瓷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于铁酸铋陶瓷的BiFeO₃粉体，由Bi₂O₃、Fe₂O₃制备成，且质量比为(1-2)：1。

本发明还提供了一种应用于铁酸铋陶瓷的BiFeO₃粉体的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料质量比称取Bi₂O₃、Fe₂O₃，并研磨至粒径为0.5-2μm；

2)将步骤1)中研磨后的粉体预烧，并将预烧后的粉体置于球磨罐中，按球、料无水乙醇比(1-3):1:1加入球磨珠，加入无水乙醇，球磨，球磨完毕后粉体过400-500目筛，烘干获得BiFeO₃粉体。

优选地，步骤2)中所述预烧时间为0.5-5h，预烧温度为700-850℃。

优选地，步骤2)中所述球磨时间为4-12h，球磨转速为200-400rpm。

本发明还提供了一种铁酸铋陶瓷，由以下重量百分比的原料制成：BiFeO₃粉体95-99.8％、玻璃助剂0.2-5％。

本发明的有益效果：本发明中通过采用低熔玻璃助剂制备出的铁酸铋陶瓷具有低漏电流密度、低介电损耗的高性能铁酸铋陶瓷。

优选地，所述玻璃助剂为Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO；

所述Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO的制备方法包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Bi₂O₃70-90％，B₂O₃5-23％，ZnO 2-7％的各原料混合得到混合物料，将混合物料充分球磨混匀获得粉体；

2)将步骤1)中得到的混合粉体装到坩埚中压实并放到电阻炉内，在1100-1400℃保温1-4h后取出进行水淬得到玻璃颗粒；

3)将步骤2)中得到的玻璃颗粒进行球磨，过400-500目筛，最后在60-80℃下烘干12-24h，即得Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO粉体。

采用上述低熔玻璃助剂能够提高本发明中陶瓷的介电性能。

本发明还提供了一种铁酸铋陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)按照铁酸铋陶瓷的重量百分比称取称取BiFeO₃粉体和玻璃助剂，混合均匀后得到混合物料；

步骤(2)在步骤(1)中所述的混合物料中加入无水乙醇搅拌混合，压制，烧结获得铁酸铋陶瓷。

本发明中的制备工艺简单，易操作，适用于大工业化生产。

优选地，步骤(2)中所述混合物料与无水乙醇的质量比为1：(1-3)。

优选地，步骤(2)中所述压制压力为30-70MPa。

优选地，步骤(2)中所述烧结温度为700-850℃，烧结时间为1-10h。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种采用低熔玻璃助剂常压烧结铁酸铋陶瓷及其制备方法，通过将玻璃助剂粉体与铁酸铋粉体以无水乙醇为分散介质均匀混和，进行常压液相烧结制备高性能铁酸铋基陶瓷，同时铁酸铋陶瓷的烧结温度有明显降低，可制备出低漏电流密度、低介电损耗的高性能铁酸铋陶瓷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为实施例1-4的XRD谱图；

图2附图为实施例6的SEM(扫描电镜)图；

图3附图为实施例6漏电流密度；

图4附图为实施例6介电损耗。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO的制备方法包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Bi₂O₃70g，B₂O₃20g，ZnO 4g的各原料混合得到混合物料，将混合物料充分球磨混匀获得粉体；

2)将步骤1)中得到的混合粉料装到坩埚中压实并放到电阻炉内，在1100℃保温2h后取出进行水淬得到玻璃颗粒；

3)将步骤2)中得到的玻璃颗粒进行球磨，过400目筛，最后在80℃下烘干12h，即得Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO粉体。

实施例1：730℃下烧结2h制备1mm厚的BiFeO₃陶瓷。

按化合物BiFeO₃的各元素化学计量比1:1称量氧化物Bi₂O₃、Fe₂O₃分别23.30g、7.98g于玛瑙研钵中研磨均匀，并将研磨后的粉末置于高温炉中，于760℃预烧2h；将预烧后的粉体放入球磨罐中，按球、料、无水乙醇比3:1:1加入球磨珠，加入无水乙醇作为分散介质，在400rpm转速下球磨12h，将球磨好的料过500目筛后，于80℃烘干12h，获得BiFeO₃粉体；取10g BiFeO₃粉体，并加入10滴4wt％的聚乙烯醇(PVA)进行造粒，然后将造粒粉料过40目筛，在50MPa压强下，压制成10mm×1mm的圆片；最后把压制成功的圆片置于高温炉中，于在730℃下烧结2h，制得BiFeO₃陶瓷。

实施例2：780℃下烧结2h制备1mm厚的BiFeO₃陶瓷。

按化合物BiFeO₃的各元素化学计量比1:1称量氧化物Bi₂O₃、Fe₂O₃分别23.30g、7.98g于玛瑙研钵中研磨均匀，并将研磨后的粉末置于高温炉中，于810℃预烧2h；将预烧后的粉体放入球磨罐中，按球、料、无水乙醇比3:1:1加入球磨珠，加入无水乙醇作为分散介质，在400rpm转速下球磨12h，将球磨好的料过500目筛后，于80℃烘干12h，获得BiFeO₃粉体；取10g BiFeO₃粉体，并加入10滴4wt％的聚乙烯醇(PVA)进行造粒，然后将造粒粉料过40目筛，在50MPa压强下，压制成10mm×1mm的圆片；最后把压制成的圆片置于高温炉中，于在780℃下烧结2h，制得BiFeO₃陶瓷。

实施例3：780℃下烧结4h制备1mm厚的BiFeO₃陶瓷。

按化合物BiFeO₃的各元素化学计量比1:1称量氧化物Bi₂O₃、Fe₂O₃分别23.30g、7.98g于玛瑙研钵中研磨均匀，并将研磨后的粉末置于高温炉中，于810℃预烧2h；将预烧后的粉体放入球磨罐中，按球、料、无水乙醇比3:1:1加入球磨珠，加入无水乙醇作为分散介质，在400rpm转速下球磨12h，将球磨好的料过500目筛后，于80℃烘干12h，获得BiFeO₃粉体；取10g BiFeO₃粉体，并加入10滴4wt％的聚乙烯醇(PVA)进行造粒，然后将造粒粉料过40目筛，在50MPa压强下，压制成10mm×1mm的圆片；最后把压制成的圆片置于高温炉中，于在780℃下烧结4h，制得BiFeO₃陶瓷。

实施例4：780℃下烧结2h制备1mm厚的BiFeO₃陶瓷。

按化合物BiFeO₃的Bi，Fe元素化学计量比1.5:1称量氧化物Bi₂O₃、Fe₂O₃分别34.95g、7.98g于玛瑙研钵中研磨均匀，将研磨后的粉体置于高温炉中，于810℃预烧2h，将预烧后的粉体置于球磨罐中，按球、料、无水乙醇比为3:1:1，加入球磨珠，加入无水乙醇作为分散介质，在400rpm转速下球磨12h，将球磨好的粉体过400目筛，于80℃烘干12h，获得BiFeO₃粉体。取10g BiFeO₃粉体，并加入10滴4wt％的聚乙烯醇(PVA)进行造粒，然后将造粒粉料过40目筛，在40MPa压强下，压制成10mm×1mm的圆片；于在780℃下烧结2h，制得BiFeO₃陶瓷。

实施例1-4性能分析

BiFeO₃热稳定差，烧结温度范围窄，烧结过程中容易产生杂项(Bi₂Fe₄O₉和Bi₂₄A1₂O₃₉)。杂项的产生直接导致了BiFeO₃性能的下降，因此在后续制备过程中，以考虑最佳工艺，合成纯相为主，再对其性能进行改进。通过对实施例1-3物相分析，实施例2的陶瓷样品具有最高纯度的物相。因此在后续试验中，本发明选用实施例2的工艺。

实施例5

铁酸铋陶瓷：实施例2的BiFeO₃粉体9.98g、玻璃助剂0.02g。

上述原料的制备方法为：

步骤(1)称取上述各原料混合获得混合物料；

步骤(2)在步骤(1)中所述的混合物料中加入15ml无水乙醇搅拌混合，在80℃下烘干12h后，置入压铸机中在40MPa的压强下压制成10mm×1mm的陶瓷素坯圆片，在760℃下烧结2h获得铁酸铋陶瓷。记为0.998BiFeO₃-0.002BBZ。

实施例6

铁酸铋陶瓷：实施例2的BiFeO₃粉体9.7g、玻璃助剂0.3g。

上述原料的制备方法为：

步骤(1)称取上述各原料混合获得混合物料；

步骤(2)在步骤(1)中所述的混合物料中加入15ml无水乙醇搅拌混合，在80℃下烘干12h后，置入压铸机中在40MPa的压强下压制成10mm×1mm的陶瓷素坯圆片，在730℃下烧结2h获得铁酸铋陶瓷。记为0.97BiFeO₃-0.03BBZ。

实施例7

铁酸铋陶瓷：实施例2的BiFeO₃粉体9.5g、玻璃助剂0.5g。

上述原料的制备方法为：

步骤(1)称取上述各原料混合获得混合物料；

步骤(2)在步骤(1)中所述的混合物料中加入15ml无水乙醇搅拌混合，在80℃下烘干12h后，置入压铸机中在40MPa的压强下压制成10mm×1mm的陶瓷素坯圆片，在700℃下烧结2h获得铁酸铋陶瓷。记为0.95BiFeO₃-0.5BBZ。

实例5-7性能分析

本发明中由于低熔玻璃助剂的加入，能在低于烧结温度下成熔融状体，从而降低烧结温度促进烧结，达到陶瓷致密化要求。BiFeO₃的降温烧结有益于减少Fe³⁺的还原和Bi₂O₃的挥发以减少体内氧空位，增加陶瓷介电性能和降低漏电流密度。通过对实施例5-7的漏电流密度、SEM、介电损耗分析，得出实施例6中采用BiFeO₃粉体9.7g、玻璃助剂0.3g复合陶瓷具有最优电学性能。其漏电流密度为2×10^-6A/cm²，陶瓷致密度最高(96％)、介电损耗有效下降。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。