一种多功能铁电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能铁电陶瓷材料及其制备方法，该材料属于ABO

A multifunctional ferroelectric ceramic material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能铁电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于铁电材料制备
，具体涉及一种多功能铁电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着人们对全球环境保护意识的提高和可持续发展的战略的提出，无铅压电陶瓷因对环境友好，热稳定性和化学稳定性良好，机械性能出色和多功能的独特特性而成为人们关注的焦点。因此，寻找新型无铅铁电材料取代对人类健康和生态环境有危害的铅基陶瓷材料迫在眉睫。属于ABO3钙钛矿家族材料之一的Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)在室温下具有较大的剩余极化强度(Pr~38μC/cm2)、较高的居里温度(Tc~320ºC)，较低的烧结温度和良好的声学性能等优点，因此，激发了国内外学者广泛的研究兴趣，被认为是一种很有潜力的无铅压电候选材料。然而，纯NBT陶瓷具有矫顽场高，且在铁电相区电导率高而难以极化，压电性能偏低(d33=58pC/N)，高温下Na+和Bi3+易挥发，难以形成致密样品等缺点，因而限制了其实际应用。稀土(RE)离子由于其独特的电子结构以及4f壳层衍生的光学，电学和磁学特性而受到新材料开发人员的极大关注。通常，这些RE离子不仅用作激活剂离子来合成高效发光材料，而且还用作铁电/压电材料的结构改性剂，以提高机械和电性能，从而开发新的多功能材料。RE掺杂铁电/压电材料激发了研究人员越来越多的兴趣，通过将发光特性与其固有的铁电/压电性能相结合，将铁电/压电材料的应用范围扩展为一类新型多功能材料，即“荧光-铁电/压电”材料。目前，具有高荧光热稳定性的荧光-铁电种类非常少，这在很大程度上限制了铁电材料的实际应用。另外，先前研究报道的一些发光材料因水解反应，其发光强度随着浸没水中时间的延长而显著衰减，严重限制了其在水环境中的应用。
技术实现思路
本专利技术的首要目的是提供一种热稳定性高、防水性能优异的的荧光无铅铁电陶瓷材料，其同时具备光致发光、铁电/压电特性。本专利技术的另一个目的是提供一种生产工艺简单，成本低廉，过程绿色环保的致密多功能铁电陶瓷材料的制备方法。为实现本专利技术的第一个目的，本专利技术采用的技术方案是：一种绿色环保多功能铁电陶瓷材料，该材料属于ABO3钙钛矿结构的无铅铁电陶瓷材料，其化学式为(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3，其中0≤x≤0.08。较佳的，该陶瓷材料通过在A位添加0.003含量的稀土元素Sm3+取代Bi3+，实现光致发光性能。较佳的，该陶瓷材料在蓝光480nm波长激发下，能产生很强的肉眼可见的橙红光，从而实现光致发光性能。较佳的，该陶瓷材料通过调控基质组分中CaTiO3的摩尔分数x，x优选取值为0.04，此时，所测得的光致发光性能最强。为实现本专利技术的第二个目的，本专利技术采用的技术方案是：一种绿色环保多功能铁电陶瓷材料制备方法，包括如下步骤：(1)按照所述材料的化学通式(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3中的Na、Bi、Sm、Ca、Ti的化学计量比，计算并称量如下原料Na2CO3、Bi2O3、Sm2O3、CaCO3和TiO2，其中x的取值范围为0~0.08；(2)将原料放入球磨罐中球磨混合，球磨后的原料烘干，烘干后的原料放入坩埚中，置于马弗炉中以800ºC保温2小时预烧；(3)将上述预烧产物碾碎研磨并进行二次球磨并烘干，利用压片机将烘干后的粉末在750psi压力下压片，得到生胚；(4)使用埋烧法，将所述生胚置于马弗炉中1150ºC保温3小时，即可得到(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3铁电陶瓷。较佳的，步骤(2)中，将原料放入球磨罐中球磨混合12小时，球磨后的原料在60ºC温度下烘干12小时。较佳的，步骤(2)中，球磨混合中，玛瑙球：原料：无水乙醇的质量比为2:1:0.8~1。较佳的，步骤(3)中，将预烧产物碾碎研磨并进行二次球磨并烘干，其中，球磨时间12小时，烘干温度是60ºC，烘干时间为12小时。与现有技术相比，本专利技术有如下优点：(1)本专利技术制备材料的原料所需成本较低，产品的物理化学稳定性好；当陶瓷材料480nm辐照后，能够实现可见橙红光发射，并且调整基体材料中CaTiO3的组分，可实现光致发光性能的调控，当x=0.04时，发光性能最佳；(2)当在20~260ºC范围内对0.96Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-0.04CaTiO3陶瓷样品加热时，发射峰的峰形和峰位几乎不变，发光强度也变化很小，说明该发光材料的热稳定性良好；(3)将陶瓷材料子在去离子水中浸泡不同的时间(12、24、36、48、60和72小时)后，再次测量发射光谱，发射谱峰的位置和形状没有明显变化，且浸没时间对发射强度影响非常小，因此该荧光铁电体的耐水性能高；(4)另外，三价的Sm3+离子取代陶瓷材料中的Bi3+离子，不会产生额外的缺陷，不需要电荷补偿；(5)本专利技术所述材料采用固相烧结法合成，在空气中烧结而成，无需提供还原性气体，操作流程简单，且合成的陶瓷材料物理化学稳定。与氧气接触时，无变质，对后续的光致发光性能无影响。附图说明图1是本专利技术实施例中(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3陶瓷材料XRD图谱。图2是本专利技术实施例中(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3陶瓷材料的扫描电镜照片。图3是本专利技术实施例中(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3陶瓷材料的发射光谱。图4是本专利技术实施例中主发射光谱强度(4G5/2→6H7/2)与CaTiO3掺杂含量之间的关系图。图5是本专利技术实施例中0.96Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-0.04CaTiO3样品的PL光谱对不同温度测试下的发射光谱。图6是本专利技术实施例位于597nm处归一化发射强度随着温度的变化关系。图7是本专利技术实施例在480nm激发下，不同温度0.96Na0.5Bi497Sm0.003TiO3-0.04CaTiO3陶瓷材料的CIE色度坐标。图8是本专利技术实施例中0.96Na0.5Bi497Sm0.003TiO3-0.04CaTiO3陶瓷水中浸泡不同时间的发射光谱，右上插图为相对发射强度(4G5/2→6H7/2)对水中浸泡时间的依赖关系。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。实施例采用纯度为的99.99%的Na2CO3、99.90%的Bi2O3、99.00%的Sm2O3、99.99%的CaCO3和99.99%的TiO2为原料，制备五组不同组分的无铅荧光铁电陶瓷材料。通常，少量稀土掺杂(<0.5mol%)铁电材料不会明显改变晶体结构，还有助于增强压电性能。因此，在本专利技术中，Sm3+的摩尔分数为0.003。首先按照化学式(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能铁电陶瓷材料，其特征在于，该材料属于ABO

【技术特征摘要】
1.一种多功能铁电陶瓷材料，其特征在于，该材料属于ABO3钙钛矿结构的无铅铁电陶瓷材料，其化学式为(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3，其中0≤x≤0.08。


2.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料在蓝光480nm波长激发下，能产生肉眼可见的橙红光，具有光致发光性能。


3.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，x取值为0.04。


4.一种多功能铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照所述陶瓷材料的化学通式(1-x)Na0.5Bi0.497Sm0.003TiO3-xCaTiO3中的Na、Bi、Sm、Ca、Ti的化学计量比，计算并称量如下原料Na2CO3、Bi2O3、Sm2O3、CaCO3和Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：马春林，谭伟石，陈贵宾，周卫平，翟章印，程菊，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32