CN102584193B - 一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法，制备BiY2Fe5O12粉体和0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀后加入PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；将复合材料的混合粉末按需要压制成型，加热排除粘合剂PVA，然后烧结成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。本发明能够将铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的饱和磁化强度从0.03emu/克提高至4.4emu/g。同时，可以将铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的剩余极化强度从18.6微库/厘米2提高至20.1微库/厘米2。

Description

一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法。
背景技术
多铁性材料(multiferroic)是一种集铁电、磁有序于一体，从而铁电性和磁性共存并且具有磁电耦合性质的材料。该材料互补了纯的(反-)铁电或(反-)铁磁材料的不足而同时呈现电和磁的有序性，由于铁电性和磁性的共存使得这种材料可由电场诱导产生磁场，同时磁场也可以诱发铁电极化，此性质被称为磁电效应。电场可以诱导磁极化，磁场可以诱导铁电极化这种特殊的功能材料将具有广泛的应用，具体应用主要体现在以下几方面：(1)对光波的振幅、偏振和位相进行调制；(2)磁电数据存储和转换；(3)光学二极管；(4)自旋波发生器；(5)自旋波的放大和频率转换；(6)宽波段磁探测以及多功能电子设备如传感器、制动器、感应器、转换器等；(7)电流、电压双向转换器等。铁酸铋作为一种典型的单相多铁材料，具有远高于室温的居里温度和奈尔温度，是目前唯一在室温条件下同时具有铁电性与寄生弱铁磁性的单相多铁材料，因此，引起了广大研究者的极大关注。然而，铁酸铋的缺点是由于二价铁离子和氧空位的存在而导致大的漏导电流以及由于反铁电本质而导致弱磁性。以上缺点严重限制了铁酸铋材料的实际应用。虽然，在铁酸铋中引入钛酸钡形成固溶体可以在一定程度上降低其漏电流提高铁电性。但是形成的铁酸铋钛酸钡固溶体的磁性仍然较弱。在铁酸铋陶瓷中引入强磁性的铁氧体可以显著提高，然而，由于常用的钴铁氧体(CoFe2O4)和镍锌铁氧体(NiZn ferrite)的电阻率较低，如果将这两种铁氧体引入到以上铁酸铋钛酸钡固溶体形成复合材料，虽然可以提高铁酸铋钛酸钡固溶体的磁性能，但是会降低其电阻率从而进一步降低极化强度并恶化铁电性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单的高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且0.05≤x≤0.2；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量8％～15％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1000～1050℃下烧结0.5～2个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成。
本发明能够将铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的饱和磁化强度从0.03emu/克提高至4.4emu/g。同时，可以将铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的剩余极化强度从18.6微库/厘米2提高至20.1微库/厘米2。
附图说明
图1是在1000℃下保温0.5小时烧结所得纯相0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷的磁滞回线。
图2是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为95％，BiY2Fe5O12的质量比为5％，在1050℃保温0.5小时烧结所得复合材料的磁滞回线。
图3是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为90％，BiY2Fe5O12的质量比为10％，在1050℃保温1小时烧结所得复合材料的磁滞回线。
图4是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为80％，BiY2Fe5O12的质量比为20％，在1050℃保温2小时烧结所得复合材料的磁滞回线。
图5是在1000℃下保温0.5小时烧结所得纯0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷的电滞回线。
图6是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为95％，BiY2Fe5O12的质量比为5％，在1050℃保温0.5小时烧结所得复合材料的电滞回线。
图7是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为90％，BiY2Fe5O12的质量比为10％，在1050℃保温1小时烧结所得复合材料的电滞回线。
图8是当0.7BiFeO3-0.3BaTiO3的质量比为80％，BiY2Fe5O12的质量比为20％，在1000℃保温2小时烧结所得复合材料的电滞回线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.05；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量8％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1050℃下烧结0.5个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图1可以看出纯相铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的磁性非常弱，饱和磁化强度为0.03emu/克。由图2可以看出该复合材料的饱和磁化强度为1.1emu/g。
实施例2：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.1；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量10％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1050℃下烧结1个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图3可以看出此时复合材料的饱和磁化强度为2.1emu/克。
实施例3：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.2；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量12％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1050℃下烧结2个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图4可以看出此时复合材料的饱和磁化强度为4.4emu/克。
实施例4：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.05；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量15％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1050℃下烧结1个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图5可以看出纯相铁酸铋钛酸钡固溶体陶瓷的剩余极化强度为18.7微库/厘米2。
由图6可以看出此时复合材料的剩余极化强度为20.1微库/厘米2。
实施例5：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.1；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量9％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1050℃下烧结1个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图7可以看出此时复合材料的剩余极化强度为17.4微库/厘米2。
实施例6：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.2；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量13％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1000℃下烧结2个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
由图8可以看出此时复合材料的剩余极化强度为14.8微库/厘米2。
实施例7：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.08；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量11％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1030℃下烧结0.5个小时成瓷，得到铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
实施例8：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且x＝0.15；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量14％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1020℃下烧结1.5个小时成瓷，得到铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。

Claims (2)

1.一种高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按掺铋铁酸钇的化学通式BiY2Fe5O12，称取分析纯的Bi2O3，Y2O3，和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经900℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎过120目筛得到BiY2Fe5O12粉体；
2)按铁酸铋钛酸钡固溶体的化学通式0.7BiFeO3-0.3BaTiO3，称取分析纯的BaCO3，TiO2，Bi2O3和Fe2O3配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经840℃预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体；
3)按化学通式xBiY2Fe5O12/(1-x)(0.7BiFeO3-0.3BaTiO3)将0.7BiFeO3-0.3BaTiO3粉体和BiY2Fe5O12粉体混合均匀，其中x为BiY2Fe5O12的质量百分数，且0.05≤x≤0.2；
4)向混合粉末中加入混合粉末质量8％～15％的PVA粘合剂得到所需复合材料的混合粉末；
5)将复合材料的混合粉末按需要压制成型，在550℃，保温4个小时排除粘合剂PVA，在1000～1050℃下烧结0.5～2个小时成瓷，得到高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料。
2.根据权利要求1所述的高磁化强度和极化强度的铁酸铋钛酸钡固溶体复合材料的制备方法，其特征在于：所述的PVA粘合剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液造粒后经60目与120目筛网过筛制成。
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