层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料，以钴离子代替部分铁离子，得到Bi7Fe3-xCoxTi3O21层状Aurivillius型多铁氧化物陶瓷，其结构为两个铋氧层（（Bi2O2）2+）之间夹着钛氧（Ti-O）八面体、铁氧（Fe-O）八面体和钴氧（Co-O）八面体，其中，由于铁钴原子结构相近，部分钴离子替换部分铁离子的位置后，Fe-O八面体和Co-O八面体排列相对较为有序，局部可以产生Fe-O-Co之间的耦合，从而使得陶瓷材料的铁电性和铁磁性增强。本发明专利技术还提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料的制备方法，该陶瓷材料的制备温度远低于现行工艺的制备温度，降低了能耗，有利于产业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氧化物陶瓷材料
，尤其涉及一种。
技术介绍
铁的基本性能包括铁电性/反铁电性、铁磁性/反铁磁性/亚铁磁性和铁弹性。多铁性材料是指同一个相中包含两种或两种以上铁的基本性能的材料。在多铁性材料中，不同的铁性能能够产生一些新的特性，如磁电效应、磁介效应等，正是由于这些效应，使得多铁性材料具有潜在的应用前景，可以广泛用于转换器、传感器、电容器和存储设备等。磁电效应是多铁性材料的一个重要应用。磁电效应是指磁、机械力、电三者之间的耦合效应，即，磁场可以改变电极化方向，电场可以调制磁化状态。最近几年，具有磁电效应·的多铁性材料备受关注，其不但可以用在铁电和磁性设备的研发上，而且由于其能利用磁电之间的耦合，为设备的设计和应用提供附加的自由度，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，只有ABO3型结构的BiFeO3在室温以上具有铁电性和铁磁性。但是，制备出高纯BiFeO3样品非常困难；而且BiFeO3存在高的漏电性，弱的反铁磁性等缺点，所以，BiFeO3不能满足实际应用的需要。研发出满足实际应用需求的多铁性材料成为近年来科学工作者们主要的研究方向，其中单一结构的多铁性材料得到广泛关注。在单一结构的多铁性材料中，铋氧层结构具有绝缘层和电荷库的作用，能够有效降低多铁性材料的漏电流，对改善铁电材料的电学性能有着积极意义，因此，含有铋氧层结构的层状钙钛矿的多铁性材料得到了人们广泛的重视。含有铋氧层结构的层状钙钛矿多铁材料的化学式为Bi4Ti3012+nBiM03，其中，η为自然数，M为磁性元素。当η为3、Μ为Fe时，该多铁材料具体为三层钙钛矿的铁电材料Bi4Ti3O12与三个BiFeOJi合而成；其立体结构为在2个铋氧层((Bi2O2)2+)之间夹着钛氧(Ti-O)八面体和铁氧(M-O)八面体。该多铁材料不但可以有效地利用铋氧层的绝缘作用来抑制磁性单元由于氧空位和铁变价导致的漏电流，使得铁电性增强；而且，由于该组合的多铁性分别来源于铁电单元和多铁单元，所以在铁电性增强的同时，铁磁性也有一定增强。但是，三层的铁电材料Bi4Ti3O12与三个BiFeO3的组合仍然表现为局域化反铁磁性，而满足不了实际应用的需求，所以必须通过其他途径来改变磁性离子耦合来提高铁磁性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种层状结构钛铁钴酸铋陶瓷材料，本专利技术提供的陶瓷材料具有优良的铁电性和铁磁性。本专利技术提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料，化学式如式(I)所示Bi7Fe3^xCoxTi3O21 (I)；其中，0〈χ〈3。优选的，所述X满足以下条件0. 5彡X彡2。本专利技术还提供了一种层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料的制备方法，包括步骤一将钛酸正丁酯、含铋化合物、含铁化合物、含钴化合物和络合剂在酸液中混合，得到混合溶液；所述钛酸正丁酯、含铋化合物、含铁化合物和含钴化合物中钛、铋、铁、钴的摩尔比为3:7:3_x:x,0〈x〈3 ；步骤二 将所述混合溶液蒸干、预烧，得到前驱体；步骤三将所述前驱体压片成型、烧结，得到具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料。优选的，所述含铋化合物为五水合硝酸铋、氧化铋和醋酸铋中的一种或几种。优选的，所述含铁化合物为九水合硝酸铁、三氧化二铁和醋酸铁中的一种或几种。优选的，所述含钴化合物为四水合乙酸钴、氧化钴和六水硝酸钴中的一种或几种。优选的，所述络合剂为乙二胺四乙酸和柠檬酸。优选的，所述步骤一和步骤二之间还包括调节所述混合溶液的pH值至中性。优选的，所述预烧的温度为650 800°C，所述预烧的时间为I 3小时。优选的，所述烧结的温度为870 890°C，所述烧结的时间为3 6小时。本专利技术提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料，以钴离子代替部分铁离子，得到Bi7Fe3_xCoxTi3021层状Aurivillius型多铁氧化物陶瓷,其结构为两个秘氧层((Bi2O2) 2+)之间夹着钦氧(Ti-O)八面体、铁氧(Fe-O)八面体和钻氧(Co-O)八面体，其中，由于铁钴原子结构相近,部分钴离子替换部分铁离子的位置后，Fe-O八面体和Co-O八面体排列相对较为有序，局部可以产生Fe-O-Co之间的耦合，从而能够改善陶瓷材料的铁电性和铁磁性。实验结果表明，在常温下，本专利技术提供的钛铁钴酸铋陶瓷材料在测量电场为190kV/cm时，剩余极化强度(2P,)约为3 μ C/cm2 25 μ C/cm2 ;其剩余磁化强度(2Mr)约为O.2emu/g 2. lemu/g。附图说明图I为本专利技术实施例及比较例制备的陶瓷材料的X射线图；图2为本专利技术实施例3提供的Bi7Feh5Cc^5Ti3O21的扫描电镜照片；图3为本专利技术实施例3提供的Bi7Feh5Co1. Ji3O21的铁电性能测量图；图4为本专利技术实施例3提供的Bi7Feh5Co1. Ji3O21的铁磁性能测量图。具体实施例方式本专利技术提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料，化学式如式(I)所示Bi7Fe3^xCoxTi3O21 (I)；其中，0〈x〈3。本专利技术提供的钛铁钴酸铋陶瓷材料在现有的钛铁酸铋陶瓷材料的基础上，通过将部分铁离子用钴离子来代替，得到Bi7Fe3_xCoxTi3021层状Aurivillius型多铁氧化物陶瓷，其结构为两个铋氧层((Bi2O2) 2+)之间夹着钛氧(Ti-O)八面体、铁氧(Fe-O)八面体和钴氧(Co-O)八面体。本专利技术所述的钛铁钴酸铋陶瓷材料，由于铁钴原子结构相近，部分钴离子替换部分铁离子的位置后，Fe-O八面体和Co-O八面体排列相对较为有序，局部可以产生Fe-O-Co之间的耦合，从而能够增强陶瓷材料的铁电性和铁磁性。本专利技术中，所述X满足以下条件0〈x〈3，优选为O. 5彡X彡2。本专利技术提供的钛铁钴酸铋陶瓷材料优选具有如下性能在常温下，在测量电场为190kV/cm时，剩余极化强度(2P,)约为3 μ C/cm2 25 μ C/cm2 ;其剩余磁化强度(2Mr)约为O.2emu/g 2. lemu/g。·本专利技术还提供了一种层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料的制备方法，按照以下步骤制备步骤一将钛酸正丁酯、含铋化合物、含铁化合物、含钴化合物和络合剂在酸液中混合，得到混合溶液；所述钛酸正丁酯、含铋化合物、含铁化合物和含钴化合物中钛、铋、铁、钴的摩尔比为3:7:3_x:x,0〈x〈3 ；步骤二 将所述混合溶液蒸干、预烧，得到前驱体；步骤三将所述前驱体压片成型、烧结，得到具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料。本专利技术以钛酸正丁酯、含铋化合物、含铁化合物、含钴化合物为原料，其中，所述钛酸正丁酯提供钛源，可以为化学纯的钛酸正丁酯；所述含铋化合物提供铋源，可以为分析纯的含铋化合物，优选为五水合硝酸铋、氧化铋和醋酸铋中的一种或几种，更优选为五水合硝酸铋；所述含铁化合物提供铁源，可以为分析纯的含铁化合物，优选为九水合硝酸铁、三氧化二铁和醋酸铁中的一种或几种，更优选为九水合硝酸铁；所述含钴化合物提供钴源，可以为分析纯的含钴化合物，优选为四水合乙酸钴、氧化钴和六水硝酸钴中的一种或几种，更优选为四水合乙酸钴和/或六水硝酸钴,最优选为六水硝酸钴。本专利技术对上述原料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有层状结构的钛铁钴酸铋陶瓷材料，化学式如式（I）所示：Bi7Fe3?xCoxTi3O21（I）；其中，0

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆亚林，凌意翰，孙书杰，彭冉冉，雷志威，陈小兵，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：