一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法技术

本发明专利技术属陶瓷合成技术领域，提供一种溶胶‑凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法。用溶胶‑凝胶法分别制备铁酸镍即NFO前驱体粉末和钛酸铜钙即CCTO前驱体粉末，CCTO前驱体粉末和NFO的前驱体粉末以摩尔比为3:1的比例混合后加入粘合剂，混合均匀后压制成陶瓷坯体，将陶瓷坯体烧结获得钛酸铜钙/铁酸镍即CCTO‑NFO复合磁电陶瓷样品。原材料的价格低廉，成本低；反应过程组分可控，防止出现杂相；成胶时间短；制备工艺简单，陶瓷样品的介电特性和磁性都体现出很强的规律性。陶瓷片致密度高、晶粒均匀度高。工艺简单，易于工业化生产，制备的陶瓷样品致密度高、颗粒均匀性好，磁电性能优良。

Preparation of calcium titanate / nickel ferrite composite magnetoelectric ceramic material by sol-gel method

The invention belongs to the field of ceramic synthesis technology, and provides a sol gel method for preparing calcium titanate / nickel ferrite composite magnetoelectric ceramic material. NFO precursor powder and CCTO precursor powder are prepared by sol-gel method, and the precursor powder of CCTO precursor powder and NFO precursor powder are mixed with the molar ratio of 3:1, then the binder is added to the mixture. The ceramic billet is sintered to obtain calcium titanate / nickel ferrate N, that is, CCTO N. FO composite magnetoelectric ceramics samples. The raw material is low in price and low in cost; the component of the reaction process is controlled to prevent the appearance of miscellaneous phase; the time of gelation is short; the preparation process is simple, the dielectric and magnetic properties of the ceramic samples are very strong. The ceramic sheet has high density and high grain uniformity. The process is simple and easy for industrial production. The ceramic samples prepared have high density, good particle uniformity and excellent magnetoelectric properties.

【技术实现步骤摘要】
一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法
本专利技术属于陶瓷合成
，具体涉及一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，所制备的复合陶瓷材料同时具有高介电特性和规律的磁特性。
技术介绍
随着现代电子信息产业的迅速发展，单一功能材料已越来越不能满足科技发展的需求，电器元器件的“小型化、多功能化、无线化”成为必然，因此，很多研究者们对多功能复合陶瓷材料展开了研究。其中，磁电双性材料由于其独特的磁电耦合特性受到了广泛关注。钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12，CCTO）是迄今被发现的一种新型无铅环保高介电材料，其介电常数非常高，可达10k以上，而且在100K到400K温度范围内数起伏很小，其单晶样品低频介电常数甚至可达100k以上。另外，CCTO不含铅、制备工艺简单、所需制备条件简单，很有希望替代传统的介电陶瓷材料，成为新一代高介电陶瓷材料。铁酸镍（NiFe2O4，NFO）是尖晶石反铁磁材料中的一种重要材料，具有亚铁磁性和电性能，并且在交流电场中可显示出较低的涡流损耗。NFO在高频率下具有高渗透性且具有很高的电阻率，因而已被广泛用于许多电子设备中。如果可以把CCTO和NFO优异的介电性能和磁性能结合到一起，有望产生较强的磁电耦合特性，以拓宽材料的应用范围和前景。磁电复合材料的制备工艺有多种，如传统固相方法、熔盐法及溶胶凝胶法等。上述方法均各有利弊，如固相反应法简单易行，但是球磨过程中容易引入杂质；熔盐法制备过程中需要利用盐清洗试样，也容易影响目标产物的纯度；溶胶凝胶法比较适合用于多元氧化物的制备及掺杂，CCTO和NFO的复合包含了Ca，Cu，Ti，Ni，Fe等多种阳离子元素，因此很适合用溶胶凝胶法制备。但是CCTO的制备过程中，Ti离子需要有钛酸四丁酯提供，该原料极易水解形成沉淀，因此制备过程中所采用的溶剂必须是纯有机溶剂，如无水乙醇等，不能使用去离子水；但是NFO的制备所使用的溶剂是去离子水，因此二者无法利用溶胶凝胶法一步制备，需要分别制备后，再进行混合。
技术实现思路
本专利技术提供了一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，所制备的复合磁电陶瓷材料是同时具有高介电特性及规律的磁特性的CCTO-NFO复合陶瓷材料。本专利技术采取如下技术方案实现的：一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，用溶胶-凝胶法分别制备铁酸镍即NFO前驱体粉末和钛酸铜钙即CCTO前驱体粉末，CCTO前驱体粉末和NFO的前驱体粉末以摩尔比为3:1的比例混合后加入20ml粘合剂，混合均匀后压制成陶瓷坯体，将陶瓷坯体烧结获得钛酸铜钙/铁酸镍即CCTO-NFO复合磁电陶瓷样品。具体步骤如下：（1）NFO前驱体粉末的制备：A、按照镍、铁、柠檬酸的摩尔比为1:2:3.6的比例称取硝酸镍、硝酸铁及柠檬酸，去离子水为溶剂将硝酸镍、硝酸铁充分溶解，形成A1溶液；将柠檬酸用去离子水溶解，充分搅拌至透明；B、边搅拌A1溶液边将柠檬酸水溶液加入到A1溶液中，用质量分数为25~28%的氨水调节pH值为7，形成B1溶液；C、向B1溶液中加入2.0g聚乙二醇，搅拌至完全溶解，然后置于80℃水浴锅中搅拌形成凝胶；D、形成的凝胶置于蒸发皿中，用500℃电炉烘干0.5h得到黑色粉末，然后研磨均匀，置于马弗炉中，650℃下保温2h，排除有机物，得到NFO的前驱体粉末；（2）CCTO前驱体粉末的制备：a、按照钙、铜、钛、柠檬酸摩尔比为1:3:4:9.6的比例称取硝酸钙、硝酸铜、钛酸丁酯及柠檬酸，以无水乙醇为溶剂将硝酸钙、硝酸铜和柠檬酸充分溶解，然后用质量分数为65%的硝酸调节pH值为2~3，形成A2溶液；钛酸丁酯中加入等体积的无水乙醇稀释为B2溶液；b、边搅拌A2溶液边将B2溶液加入到A2溶液中形成溶胶；c、形成的溶胶中加入2.0g聚乙二醇，搅拌至完全溶解，置于80℃水浴锅中搅拌形成蓝色干凝胶；d、形成的凝胶置于蒸发皿中，用500℃电炉烘干0.5h得灰色粉末，然后研磨均匀，置于马弗炉中，650℃下保温2h，排除有机物，得到CCTO的前驱体粉末；（3）CCTO-NFO复合磁电陶瓷材料的制备：A、按照摩尔比1:3的比例分别称取步骤（1）制备的NFO前驱体粉末和步骤（2）制备的CCTO前驱体粉末充分研磨混合，加入20ml粘合剂继续研磨混合均匀形成CCTO-NFO前驱体粉末，在200MPa压强下制成圆片，然后继续研碎，过80目-120目筛，排胶后压制成陶瓷坯体；B、制备的CCTO-NFO陶瓷坯体置于烧结炉中烧结，烧结温度为1000-1100℃，升温速率为300℃/h，保温2小时，然后按照10℃/min程控降温，获得CCTO-NFO复合陶瓷材料。步骤（1）和步骤（2）中水浴锅中搅拌速率为200rpm。步骤（3）中筛选的CCTO-NFO粉末在300MPa压强下制成坯体；排胶温度为650℃，排胶保温时间为30分钟。步骤（3）中所述粘合剂为聚乙烯醇或甘油。步骤（3）中所述圆片厚度为5mm，直径为25mm。制成的陶瓷坯体厚度为1mm，直径为12mm。将制备出的CCTO-NFO复合陶瓷样品表面打磨、抛光、被银、制作电极，进行表征及磁、电性能测试。步骤（2）所述B2溶液为经过无水乙醇稀释的钛酸丁酯，可降低与A2溶液混合时水解的可能性。对于CCTO-NFO复合陶瓷样品的制备而言，选择合适的成型工艺非常重要，控制剂量比也同样关键。本专利技术利用溶胶-凝胶法分别制备NFO及CCTO的前驱体粉末，通过对溶液pH值、成胶温度、搅拌速度、预烧条件、坯体制备压强等中间过程的控制，最终实现了致密度高、均匀性好，同时具有高介电特性及优良磁特性的CCTO-NFO复合陶瓷样品。进一步，所制备的前驱体粉末过80目-120目筛，在300MPa压强下制成坯体。坯体制备过程中采用的粉末粒度以及压强确保了最终产物具有更高的介电常数，同时产品的致密度和均匀性也得到了有效提高。本专利技术利用溶胶凝胶法分别制备出NFO和CCTO的前驱体粉末，再将固相粉末进行称量、充分混合进而遴选合适的条件进行压制、烧结，最终制备出CCTO-NFO复合陶瓷材料。本专利技术的优点是：硝酸钙、硝酸铜、硝酸镍、硝酸铁等原材料的价格低廉，原料成本低；溶胶-凝胶反应过程组分可控，防止出现杂相；成胶时间约4-8个小时，降低时间成本；制备工艺简单，所获得的陶瓷样品结晶度好、均匀度高；陶瓷样品的介电特性和磁性都体现出很强的规律性。成胶时间短，陶瓷片致密度高、晶粒均匀度好。本专利技术通过调节CCTO-NFO的烧结温度，改变复合材料的微观结构，进而达到改善复合材料磁、电性能的目的。所用方法工艺简单，易于工业化生产，制备的陶瓷样品致密度高、颗粒均匀性好，磁电性能优良。附图说明图1是所制备的CCTO-NFO陶瓷样品的X射线衍射图；图2是CCTO-NFO陶瓷样品的扫描电镜图；图3是CCTO-NFO陶瓷样品的介电频谱图；图4是CCTO-NFO陶瓷样品的磁滞回线图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术做进一步的描述，但绝不限制本专利技术的范围。实施例1：一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，用溶胶-凝胶法分别制备铁酸镍即NFO前驱体粉末、钛酸铜钙即CCTO前驱体粉末，NFO和CCTO的前驱体粉末以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溶胶‑凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，其特征在于：用溶胶‑凝胶法分别制备铁酸镍即NFO前驱体粉末和钛酸铜钙即CCTO前驱体粉末，CCTO前驱体粉末和NFO的前驱体粉末以摩尔比为3:1的比例混合后加入20ml粘合剂，混合均匀后压制成陶瓷坯体，将陶瓷坯体烧结获得钛酸铜钙/铁酸镍即CCTO‑NFO复合磁电陶瓷样品。

【技术特征摘要】
1.一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，其特征在于：用溶胶-凝胶法分别制备铁酸镍即NFO前驱体粉末和钛酸铜钙即CCTO前驱体粉末，CCTO前驱体粉末和NFO的前驱体粉末以摩尔比为3:1的比例混合后加入20ml粘合剂，混合均匀后压制成陶瓷坯体，将陶瓷坯体烧结获得钛酸铜钙/铁酸镍即CCTO-NFO复合磁电陶瓷样品。2.根据权利要求1所述的一种溶胶-凝胶法制备钛酸铜钙/铁酸镍复合磁电陶瓷材料的方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）NFO前驱体粉末的制备：A、按照镍、铁、柠檬酸的摩尔比为1:2:3.6的比例称取硝酸镍、硝酸铁及柠檬酸，去离子水为溶剂将硝酸镍、硝酸铁充分溶解，形成A1溶液；将柠檬酸用去离子水溶解，充分搅拌至透明；B、边搅拌A1溶液边将柠檬酸水溶液加入到A1溶液中，用质量分数为25~28%的氨水调节pH值为7，形成B1溶液；C、向B1溶液中加入2.0g聚乙二醇，搅拌至完全溶解，然后置于80℃水浴锅中搅拌形成凝胶；D、形成的凝胶置于蒸发皿中，用500℃电炉烘干0.5h得到黑色粉末，然后研磨均匀，置于马弗炉中，650℃下保温2h，排除有机物，得到NFO的前驱体粉末；（2）CCTO前驱体粉末的制备：a、按照钙、铜、钛、柠檬酸摩尔比为1:3:4:9.6的比例称取硝酸钙、硝酸铜、钛酸丁酯及柠檬酸，以无水乙醇为溶剂将硝酸钙、硝酸铜和柠檬酸充分溶解，然后用质量分数为65%的硝酸调节pH值为2~3，形成A2溶液；钛酸丁酯中加入等体积的无水乙醇稀释为B2溶液；b、边搅拌A2溶液边将B2溶液加入到A2溶液中形成溶胶；c、形成的溶胶中加入2.0g聚乙二醇，搅拌至完全溶解，置于80℃水浴锅中搅拌形成蓝色干凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙礼，郝文涛，曹恩思，张雍家，张茹，郭建琴，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14