具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法，属于氧化物陶瓷材料制备技术领域，将Ｂｉ↓［４］Ｔｉ↓［３］Ｏ↓［１２］和ＢｉＣｏＯ↓［３］植入ＢｉＦｅＯ↓［３］中形成Ｂｉ↓［５］Ｆｅ↓［０．５］Ｃｏ↓［０．５］Ｔｉ↓［３］Ｏ↓［１５］（ＢＦＣＴ）。该工艺简单合理，具有与现行的固相工艺良好的兼容性，样品制备温度远远低于现行工艺的制备温度可大大降低能耗，便于产业化生产。在ＢＦＣＴ中，由于Ｆｅ－Ｏ和Ｃｏ－Ｏ八面体排列相对较为有序，从而局部获得Ｆｅ－Ｏ－Ｃｏ之间的耦合，使样品的磁性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氧化物陶瓷材料制备
，特别涉及具有层状钙钛矿结 构的同时具有铁电、铁磁性的钛铁钴酸铋陶瓷的制备工艺。
技术介绍
磁电多铁材料是指在某个温区内，同时表现出铁电序和铁磁/反铁磁序， 且彼此之间存在某种耦合的材料。近来，这种材料日益受到瞩目， 一方面因 为其不但可以用在铁电和磁性设备的研发上，更为重要的是它能利用磁电之间的耦合，为设备的设计和应用提供附加的一个自由度，从而在新兴的自旋 电子学、多态信息存储、电驱动铁磁谐振器及磁调控压电传感器上表现出极 为诱人的应用前景。到目前为止，在已发现的多铁材料中，具有简单钙钛矿AB03型结构的BiFe03是一种无铅的环境友好型材料，具有远高于室温的 铁电Curie温度和反铁磁Ned温度，因而备受关注。最新的研究还表明，BFO 的光催化表现也具有潜在应用价值。尽管如此，BFO材料，无论陶瓷和薄 膜形态，都有一些有待克服的缺点，如介电损耗较大、漏电流较高，铁电剩 余极化较小，矫顽场较大和其非均匀的磁性自旋结构等，此外，纯相BFO材 料的制备也有一定的难度，这些困难阻碍了它走向实用的步伐。为了解决这 些困难，大家采取了多种手段，如在制备工艺上，提出了快速液相烧结法能 获得致密的体材料，此外，离子掺杂和其他铁电材料组构固溶体，也可以提 高材料的铁电剩余极化，剩余磁化等性能，其改性原理大致可归于空间群由 菱形相向正交相转变，从而激发出铁电剩余极化，以及打破BFO的螺旋形自 旋序释放铁磁性等。考虑到BFO的自旋螺旋周期约62 nm，纳米级的BFO也会有较好的铁磁性表现。钛铁酸铋(Bi5FeTi3015， BFTO)为含铋层层状钙钛矿磁电介质材料，其 结构为沿c方向每2个铋氧层((Bi202)2+)之间夹着3个钛氧(Ti-O)八面 体和1个铁氧(Fe-O)八面体组成；BFTO也可以看成由1个三层铁电材料 Bi4Ti3012 (BTO)与1个钙钛矿多铁电BiFe03 (BFO)组合而成，其多铁性 分别来源于铁电单元(BTO)和多铁单元(BFO)。 BFTO可以有效利用铋氧 层的绝缘作用来抑制磁性单元由于氧空位和Fe多价态导致的漏电流。文献报 道BFTO样品的磁性能仍表现为反铁磁性，其Neel温度(rN)在80K附 近、铁电-顺电相变温度为在1000K附近。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种新型层状同时具有铁电、铁磁性的磁电多铁 陶瓷材料。本专利技术所述陶瓷材料为钛铁钴酸铋(BFCT)，其分子结构式为 Bi5Fe05Co0.5Ti3O15。由于BFTO的磁性能表现为局域化反铁磁，说明尽管BFTO中Fe-O八 面体单元的排列是无序的，但仍然未能通过打破反铁磁螺旋序来释放磁性能。 所以需要选择其它方案，如通过改变磁性离子耦合来提高磁性能。如果将 BFTO中的一半Fe离子用Co离子来替代，形成新的钛铁钴酸铋(Bi5Fea5Coo.5Ti3015， BFCT)材料，则可以实现Fe、 Co离子之间的耦合， 这种耦合有可能表现为铁磁性。在钛铁钴酸铋的Bi5Feo.5Coo.5Ti3Ch5 (BFCT) 中，由于Fe-O和Co-O八面体排列相对较为有序，从而局部获得Fe-O-Co之 间的耦合，使样品的磁性高。本专利技术另一 目的是提供具有上述分子结构式的钛铁钴酸铋的陶瓷材料的 制备方法。该制备工艺是先制备Bi4Ti3Ch2 (BTO)粉末，再将Bi4Ti30u (BTO) 和BiCo03(BCO)植入BiFe03 (BFO)中形成Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15 (BFCT)。该工艺简单合理，具有与现行的固相工艺良好的兼容性，样品制备温度 远远低于现行工艺的制备温度可大大降低能耗，便于产业化生产。本专利技术具体的技术方案分为两步，(l)BTO粉末的制备；(2)BFCT陶瓷样品的制备。(1) Bi4Ti3012 (BTO)粉末的制备采用传统的固相烧结工艺，以分析 纯氧化铋(Bi203)和光谱纯氧化钛(Ti02)为原料，按化学配比称取原料，在760 80(TC进行多次合成。(2) Bi5Fea5Coa5Ti3015 (BFCT)陶瓷样品的制备用已制得的BTO粉 末按化学配比加入分析纯氧化铋(Bi203)、分析纯三氧化二铁(Fe203)和分析纯 三氧化二钴(0)203)，经充分球磨装入氧化铝坩锅内进行预合成，再经成型等 工艺过程，制备BFCT陶瓷样品。所述的球磨以无水乙醇为介质。本专利技术工艺简单，采用现行的固相烧结工艺和市场购得的氧化物为原料， 通过在三层钙钛矿铁电材料中加入两种类妈钛矿磁性单元，制备了层状结构 的多铁性陶瓷样品。本专利技术具有效果(l僻低了多铁陶瓷的制备温度；(2)与现行的固相工艺 相兼容；(3)样品类钙钛层排列效为有序；(4)材料在温室下具有良好铁电性 和铁磁性，本专利技术形成的陶瓷材料的剩余极化强度(2P》为 13 pC/cn^与 BFTO样品的铁电性能相当，其剩余磁化率为 7.8memu/g比BFTO高出近 3000倍；(5)工艺简单、稳定性好；(6)烧结温度低、所有原料均无毒，更具 有环境协调性。附图说明图1是本专利技术实施例中样品的X射线图形。 图2是本专利技术实施例中样品扫描电镜照片。 图3是本专利技术实施例中样品透射电镜照片。 图4是本专利技术实施例中样品铁电性能测量结果。图5是本专利技术实施例中样品磁性能测量结果。 具体实施例方式实施例采用的制备工艺过程及条件-(l)样品原料的准备1) 选用分析纯氧化铋(Bi203)、分析纯三氧化二铁(Fe203)、分析纯三氧化二钴(C0203)和光谱纯氧化钛(Ti02)为原料，原料均采用上海化学试剂公司产品，原料在称取之前先在烘箱中110 °C温度下烘烤8小时。2) BTO粉末的制备将称好的氧化铋和氧化钛(表1所示)用无水所述的 球磨以无水乙醇为介质，经过24小时球磨混合后烘干，装入氧化铝坩埚内， 轻轻压紧，在空气中分别在76(TC、 78(TC和800 'C的温度下，进行8小时、 16小时和24小时的合成。每次合成后都进行球磨和烘干处理，球磨时间为 24小时，制备BTO粉末样品。表(l)BTO原料<table>table see original document page 6</column></row><table>2) 球磨和预合成将称好的分析纯氧化铋(Bi203)、分析纯三氧化二铁 (Fe203)、分析纯三氧化二钴(0)203)和BTO粉末用无水所述的球磨以无水乙 醇为介质，经过24小时球磨混合后烘干，装入氧化铝坩埚内，轻轻压紧，在 空气中在640 x:预合成8小时，预合成后都进行球磨和烘干处理，球磨时间 为24小时。3) 样品成型、排塑加入5 wt。/。(浓度为10wt。/。的聚乙烯醇溶液)，在 15MPa 的压力下成型，制成圆柱体样品，样品尺寸为0 12mmx2mm。将成型后的 样品坯体在50(TC温度下排塑5小时。4) BFCT陶瓷烧结将经过排塑过的样品坯体在850 C的温度下烧结4 小时。(3) BFCT测量样品的准备对烧结好的样品进行表面处理和减薄，微观结构、介电性能和磁性能测 量减至厚度为0.5 mm左右；对铁电性能测量的样品厚度减至0.2 mm左右； 对用于介电性本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料，其分子结构式为：Ｂｉ↓［５］Ｆｅ↓［０．５］Ｃｏ↓［０．５］Ｔｉ↓［３］Ｏ↓［１５］。
【技术特征摘要】
1、一种具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料，其分子结构式为Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15。2、 一种如权利要求1所述具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料 的制备方法，其特征在于将Bi4Ti3012和BiCo03植入BiFe03中形成 Bi5Fe05Co05Ti3O15。3、 根据权利要求2所述具有多铁性能的层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料的 制备方法，其特征在于以Bi203和Ti02为原料，在760 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈小兵，毛翔宇，王伟，陆亚林，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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