[发明专利]一种具有宽居里温区的二钛酸钡陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有宽居里温区的二钛酸钡陶瓷及其制备方法，其由以下方法制备得到：1)将乙酰丙酮铈水合物、六水合硝酸钐、六水合硝酸铕中的一种与乙酸钡共同溶于冰乙酸中得到钡源溶液；2)将钛酸四丁酯溶于乙二醇甲醚中得到钛源溶液；3)将钡源溶液与钛源溶液混合，将所得溶胶在空气中陈化、烘干得到干凝胶，再经预烧、球磨、干燥得到二钛酸钡粉体；4)将二钛酸钡粉体依次进行造粒、干压成型、排胶、无压烧结，得到二钛酸钡陶瓷。本发明提供的二钛酸钡陶瓷具有较宽的居里温区，满足高温铁电器件的设计使用要求，并且具有单相性好的优点。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种具有宽居里温区的二钛酸钡陶瓷及其制备方法。

背景技术

铁电材料具有压电性、热释电性、铁电性、电光特性、声光特性等多种优良特性，在现代工业中得到广泛的应用，其中铁电存储器、驱动器、传感器和热释电探测器等常需要在高温环境中使用，而当工作温度高于铁电材料的居里温度时，一般的铁电材料介电常数明显下降、介电损耗急剧升高，无法正常工作。

二钛酸钡具有高居里温度(约为470℃)、无铅的优点，但由于居里温区较窄，只在居里点附近的较窄温区内有良好的介电性能，为使二钛酸钡陶瓷器件在较宽的高温范围中都能正常工作，需要拓宽二钛酸钡陶瓷的居里温区，使其满足高温铁电器件的使用要求。目前制备二钛酸钡陶瓷常用的方法是以BaCO₃、TiO₂为原料通过传统固相反应法得到，在此基础上添加单一价态掺杂元素取代Ti⁴⁺以拓宽居里温区，但由于二钛酸钡热力学稳定区间较窄，固相法制备过程中存在粉体纯度低、烧结温度高、相稳定性较差等缺点，且制得的陶瓷往往存在居里峰值偏低、居里温区宽化效果不明显等缺点。

本发明采用变价稀土元素对二钛酸钡A位或B位进行掺杂取代时，离子半径的不同会造成晶格畸变，晶胞参数的改变对属于低对称中心的单斜结构二钛酸钡的性能产生显著影响，变价元素的引入带来的成分涨落及价态涨落，导致二钛酸钡陶瓷中产生不同的铁电微区和非铁电微区。与钛酸钡相比，二钛酸钡的晶体结构较为复杂，存在三种不同的TiO₆八面体，结构的特殊性导致其性能变化对掺杂离子更为敏感。同时，使用变价元素掺杂，二钛酸钡陶瓷中存在不同价态的掺杂离子，与单一价态离子掺杂相比，不同价态离子的半径差异造成的不同取代位置、价态涨落进一步加强了结构的弥散程度。这些因素使二钛酸钡在居里温度附近的铁电相变类型由正常铁电相变转变为弥散性铁电相变，在介温谱上表现出介电峰展宽的特征。使用溶胶凝胶法合成粉体，在降低烧结温度的同时可烧结得到晶粒细小的陶瓷，大量的晶界会阻碍电畴的转动而提高弥散性，在此基础上使用Ce、Sm、Eu等变价元素掺杂，通过对原料比例、粉体合成温度、烧结制度、气氛等制备工艺参数的调节，控制变价元素的氧化还原反应，使掺杂时Ce³⁺与Ce⁴⁺、Sm²⁺与Sm³⁺、Eu²⁺与Eu³⁺离子分别以合适的比例存在于陶瓷中，进一步促使二钛酸钡相变向弥散性相变转变，使其居里温区明显宽化，满足高温铁电器件的设计使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种具有宽居里温区的二钛酸钡陶瓷及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种具有宽居里温区的二钛酸钡陶瓷，其由以下方法制备得到：

1)将乙酰丙酮铈水合物、六水合硝酸钐、六水合硝酸铕中的一种与乙酸钡共同溶于冰乙酸中得到钡源溶液；

2)将钛酸四丁酯溶于乙二醇甲醚中得到钛源溶液；

3)将步骤1)所得钡源溶液与步骤2)所得钛源溶液混合，使所得混合溶液中摩尔比Ba：Ti＝1：2，搅拌10～14h得到溶胶，将所得溶胶在空气中陈化、烘干得到干凝胶，再经预烧、球磨、干燥得到二钛酸钡粉体；