[发明专利]一种亚微米级别弛豫铁电体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种亚微米级别弛豫铁电体的制备方法。

背景技术

BaTiO₃是最早发现的一种钙钛矿型电介质材料，在室温下表现出良好的铁电行为，曾被称为电子陶瓷产业的支柱被广泛应用于各种电子材料元器件中。弛豫铁电体凭借其优于传统铁电体的各种特点(如宽居里温区以及高温电滞回线等)，被越来越多的材料研究者所重视，其中BaTiO₃基的弛豫型铁电体是其中最大的研究热点。众所周知Ba_1-xCa_xTi_1-xZr_yO₃体系陶瓷是一种良好的无铅压电材料，然而其除了具有良好的压电性能之外同样具有弛豫铁电体的性能，而纯相的BCTZ仅仅通过改变x与y的值很难得到性能较为优异的弛豫铁电体。因此掺杂与固溶便成为了提高BCTZ体系铁电体弛豫行为的常用方法。

随着科技的日益发展以及人们对电子元器件要求的提高，越来越多的电子元器件被要求应用在极端条件如高温、高频环境下。传统的电子陶瓷材料往往存在温度稳定性差或频率稳定性差等缺陷，而弛豫铁电体恰好弥补了这一漏洞。

传统的PMN-PT体系弛豫铁电体由于铅毒对人体及环境限制了其应用领域，而新型BaSrTiO3体系弛豫铁电体其频率色散范围在-50℃附近，无法在室温下得到良好的应用。由于BCTZ体系是一种被熟知的无铅压电体系，然而其晶粒尺寸往往很大，达到了若干微米甚至十多微米，如此大的晶粒尺寸减弱了陶瓷的电学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种晶粒尺寸小、成分分布均匀、在极端环境下仍拥有良好的电学性能的掺Bi型BCTZ体系弛豫铁电体的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：首先按所需制备的亚微米级别弛豫铁电体Ba_0.9Ca_0.1Ti_1-xZr_xO₃-0.03Bi的化学计量比，取可溶于水的钡源、钙源、锆源、铋源和钛源配置成混合溶液，其中0≤x≤0.12；调节混合溶液呈碱性，制得Ba_0.9Ca_0.1Ti_1-xZr_xO₃-0.03Bi的粉体前驱物；接着将粉体前驱物进行水热反应，水热反应温度为150～240℃，反应时间10～15h，制得Ba_0.9Ca_0.1Ti_1-xZr_xO₃-0.03Bi的粉体；将粉体进行坯体成型、并于1100～1300℃烧结，得到亚微米级别弛豫铁电体。

所述混合溶液的配置方法为：将钡源、钙源、锆源、铋源分别溶解于蒸馏水中，各自搅拌至完全溶解后得到四种溶液，将四种溶液混合均匀，再将TiCl₄逐滴加入其中，再次混合均匀后得到混合溶液。

包括以下具体步骤：

1)首先按照摩尔比为0.9:0.1：x：0.03称取BaCl₂·2H₂O、CaCl₂、ZrOCl₂·8H₂O以及Bi(NO₃)₃配置成混合溶液A，其中0≤x≤0.12；

2)按Ca²⁺与Ti⁴⁺的摩尔比为0.1：(1-x)，将TiCl₄逐滴加入混合溶液A中制成混合溶液B，同时调节混合溶液B的pH值大于14，搅拌直到混合溶液B变为白色粘稠状，便得到粉体前驱物；

3)将制备好的粉体前驱物倒入水热釜中，在150～240℃水热环境下保温10～15h，得到体系粉体；将粉体进行洗涤、沉淀，最后进行坯体成型；

4)将成型后的坯体进行微波烧结，烧结温度1100～1300℃、保温时间1～10min，冷却至室温，得到Ba_0.9Ca_0.1Ti_1-xZr_xO₃-0.03Bi体系陶瓷，即亚微米级别弛豫铁电体。

所述调节混合溶液呈碱性的方法为：通过按照Ti：[OH-]＝1:(5～10)的比例称取NaOH固体加入上述所得混合物中，使溶液中pH＞14。