[发明专利]层状结构的钛铁钴酸钆铋陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化物陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种层状结构的钛铁钴酸钆铋陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

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：Bi₄Ti₃O₁₂+nBiMO₃，其中，n为自然数，M为磁性元素。当n为3、M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BiFeO₃组合而成；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，使得铁电性有一定增强；但是仍然满足不了实际应用的需求。此外，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，也满足不了实际应用的需求，所以必须通过其他途径来提高铁电性和铁磁性。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种层状结构钛铁钴酸钆铋陶瓷材料，本发明提供的陶瓷材料具有优良的铁电性和铁磁性。

本发明提供了一种具有层状结构的钛铁钴酸钆铋陶瓷材料，化学式如式（Ⅰ）所示：

Bi_7-xGd_xFe_1.5Co_1.5Ti₃O₂₁（Ⅰ）；

其中，0<x<3。

优选的，所述x满足以下条件：0.5≤x≤2。

本发明还提供了一种层状结构的钛铁钴酸钆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、含钆化合物、含铁化合物、含钴化合物和络合剂溶于酸溶液中，得到混合溶液；所述钛酸正丁酯、含铋化合物、含钆化合物、含铁化合物和含钴化合物中钛、铋、钆、铁、钴的摩尔比为3:7-x:x:1.5:1.5，0<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钆铋陶瓷材料。

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；

所述含钆化合物为硝酸钆、氧化钆和醋酸钆中的一种或几种；

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；

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。