一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法技术

本发明专利技术涉及一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1‑x‑yNyTi1‑zQzO3，其中，M为Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，N为Ca或Sr，Q为Zr、Sn或Hf；x＝0.1～1.2%，y=0～20%，z=0～20%。该钛酸钡基陶瓷通过极化电场同时调节压电性能和发光性能，可获得最高压电系数并耦合发光猝灭，在微机电、光电集成、传感器等领域具有广泛的应用前景，为研究钙钛矿材料中力‑电‑热性能耦合作用提供实验基础。

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法
本专利技术属于无铅压电材料和光电材料交叉领域，具体涉及一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法。
技术介绍
压电铁电材料在信息的检测、转换、处理、显示和存储等方面具有广泛的应用，是重要的高技术功能材料。研究发现，钛酸钡基陶瓷在准同型相界附近获得了极大的压电性能d33可达400-600pC/N(PhysicalReviewLetters,2009,103:257602；AppliedPhysicsLetters,2011,99:122901)。该压电性能的获得一般是通过组分的优化，制备工艺的提升完成，一般不采用极化条件来提高或优化其压电性能。发光材料是一种在红外激光激发下能够发射出可见光的材料，在防伪、红外探测、三位立体显示、短波长全固态激光器、生物标记等领域均有广泛的应用。由于特殊的电子层结构，稀土元素具有一般元素望尘莫及的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的的范畴。所以在各种稀土材料的发展中，稀土发光材料尤其引人注目。稀土发光材料是指以稀土作为发光中心或者敏化剂的发光材料。稀土发光材料具有许多特点：发光谱线窄，色纯度高，色彩鲜艳；光吸收能力强，转化效率高；发射波长分布区域宽；荧光寿命从纳秒可以跨越到毫秒；物理和化学性质稳定，耐高温，可承受大功率电子束、高能辐射和强紫外光等的作用。随着科学技术的不断进步，各种电子器件在不断趋于功能化、小型化和智能化。近几十年，人们不仅在多功能材料中集成和改善原有的性能，还可以开发、设计所需的新颖性能，多功能材料得到了科学界的极大关注。多功能材料的研究工作不仅仅希望能够改变基体材料的性能，还期望能够拓展新的功能以及各功能之间的耦合。目前，已经研发出各种各样的多功能材料体系。在这些材料系统中，铁电发光多功能材料是通过稀土掺杂在保持或增强铁电性的基础上使铁电体具备发光性能。目前，铁电发光多功能氧化物由于具有光电子器件应用的前景，受到了广泛的关注。因此，作为一类具有高压电性能和高发光性能的无铅材料，如何通过极化调节压电性能和发光性能，是极具研究意义和应用价值的方法。据所查到的相关专利和文献中，未见稀土氧化物掺杂的钛酸钡陶瓷的极化条件对压电性能和发光性能耦合作用的相关研究。本专利技术是一种具有简单高效研究压电性能和发光性能耦合作用的新方法，工艺简单，性能稳定，在微机电、光电集成、光电传感器等领域具有广泛的应用前景。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1-x-yNyTi1-zQzO3，其中，M为Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，N为Ca或Sr，Q为Zr、Sn或Hf；x＝0.1～1.2％，y＝0～20％，z＝0～20％。该钛酸钡基陶瓷通过极化电场同时调节压电性能和发光性能，可获得最高压电系数并耦合发光猝灭，在微机电、光电集成、传感器等领域具有广泛的应用前景，为研究钙钛矿材料中力-电-热性能耦合作用提供实验基础。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1-x-yNyTi1-zQzO3，其中，M为Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，N为Ca或Sr，Q为Zr、Sn或Hf；x＝0.1～1.2％，y＝0～20％，z＝0～20％。上述化学通式中，元素右下标数字及字母均代表各对应元素的摩尔比例关系。x可为0.1～0.2％、0.2～0.3％、0.3～0.4％或0.4～1.2％。y可为0～2％、2～8％或8～20％。z可为0～0.2％、0.2～2％、2～5％或5～20％。优选地，M＝Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，x＝0.1％、0.2％、0.3％或0.4％。本专利技术第二方面提供上述稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷的制备方法，包括如下步骤：1)按上述任一项所述的稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷化学通式中元素的化学计量比称取原料：含M化合物、含Ba化合物、含N化合物、含Ti化合物和含Q化合物；2)将步骤1)中称取的原料以溶剂为介质球磨，获得浆料；3)将步骤2)得到的浆料进行烘干、预烧，得到钛酸钡基陶瓷粉体；4)将步骤3)得到的钛酸钡基陶瓷粉体添加粘结剂造粒，压制成型，排粘，烧结，即得到所述钛酸钡基陶瓷。优选地，含M化合物为Sm2O3、Pr6O11、Er2O3、Nd2O3、Tb2O3、Dy2O3或Eu2O3。优选地，含Ba化合物为BaCO3。优选地，含N化合物为CaCO3或SrCO3。优选地，含Ti化合物为TiO2。优选地，含Q化合物为ZrO2、HfO2、SnO2或SnCl4。优选地，步骤2)中，还包括如下技术特征中的至少一项：1)球磨时间为4～6h，如4～5h或5～6h；2)所述溶剂选自无水乙醇或水。优选地，步骤3)中，还包括如下技术特征中的至少一项：1)烘干条件为：在80～100℃下保温烘干8～12h，如烘干温度为80～90℃或90～100℃，烘干时间为8～10h或10～12h；2)预烧条件为：预烧温度为900～1200℃，如900～1000℃、1000～1100℃或1100～1200℃，预烧时间为4～8h，如4～5h或5～8h。优选地，步骤4)中，还包括如下技术特征中的至少一项：1)粘结剂的用量为所述钛酸钡基陶瓷粉体的5～8wt％，如5～6wt％或6～8wt％；2)所述压制成型的相对压强为100～200Mpa，如100～150Mpa、150～180Mpa或180～200Mpa；3)烧结条件为：在空气中于1200～1400℃烧结2～6h，如烧结温度为1200～1300℃或1300～1400℃，烧结时间为2～4h或4～6h。本专利技术第三方面提供一种同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法，包括如下步骤：1)将上述钛酸钡基陶瓷制备成片状，在其上下表面涂覆电极；2)将步骤1)得到的陶瓷进行电场极化。优选地，步骤1)中，电极为银电极或ITO电极，更优选为银电极。优选地，步骤2)中，还包括如下技术特征中的至少一项：1)电场强度为5～40kV/cm，如5～10kV/cm、10～20kV/cm或20～40kV/cm；2)加场速度为1～10kV/cm/min，如1～4kV/cm/min或4～10kV/cm/min；3)极化时间为10～40分钟，如10～20分钟或20～40分钟；4)电场为直流电场；5)在硅油溶剂中加载电场；6)在陶瓷圆片轴线Z方向加载极化电场。将电场极化后的陶瓷在准静态d33测试仪上测试压电常数(在室温下进行测试)；将测试完压电常数的陶瓷的上下表面涂覆的电极抹掉并抛光，使陶瓷厚度为0.2-0.5mm，利用荧光光谱仪测试样品光致发光特性，其中，抛光为砂纸或金刚砂物理抛光法，优选金刚砂，抛光后的陶瓷用水和乙醇清洗，同一批样品厚度一致，光致发光特性在室温条件下测试，激发光的波长由掺杂的稀土而定。本专利技术提供一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷及其制备方法和同时调节压电性能和发光性能的电场调节方法，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1-x-yNyTi1-zQzO3，其中，M为S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷，其特征在于，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1‑x‑yNyTi1‑zQzO3，其中，M为Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，N为Ca或Sr，Q为Zr、Sn或Hf；x＝0.1～1.2％，y＝0～20％，z＝0～20％。

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷，其特征在于，所述钛酸钡基陶瓷的化学通式为MxBa1-x-yNyTi1-zQzO3，其中，M为Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，N为Ca或Sr，Q为Zr、Sn或Hf；x＝0.1～1.2％，y＝0～20％，z＝0～20％。2.如权利要求1所述的稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷，其特征在于，M＝Sm、Pr、Er、Nd、Tb、Dy或Eu，x＝0.1％、0.2％、0.3％或0.4％。3.一种如权利要求1或2所述的稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按权利要求1或2所述的稀土掺杂的钛酸钡基陶瓷化学通式中元素的化学计量比称取原料：含M化合物、含Ba化合物、含N化合物、含Ti化合物和含Q化合物；2)将步骤1)中称取的原料以溶剂为介质球磨，获得浆料；3)将步骤2)得到的浆料进行烘干、预烧，得到钛酸钡基陶瓷粉体；4)将步骤3)得到的钛酸钡基陶瓷粉体添加粘结剂造粒，压制成型，排粘，烧结，即得到所述钛酸钡基陶瓷。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，还包括如下技术特征中的至少一项：1)球磨时间为4～6h；2)所述溶剂选自无水乙醇或水。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，郝继功，杜鹃，付鹏，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东,37