一種對燒結溫度敏感的鈦酸鉍基無鉛介電陶瓷材料的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子陶瓷元件制備技術領域，特別是一種對燒結溫度敏感的鈦酸鉍基 無鉛介電陶瓷，它是一種新型高介電常數、低介電損耗的鈣鈦礦層狀結構的介電材料，稍微 改變燒結溫度，該陶瓷的介電常數、介電損耗和活化能等發生了比較明顯的變化。
【背景技術】
[0002] 隨著鐵電存儲器材料研究的深入，含祕層|丐鈦礦鐵電材料（bismuthlayer-structuredferroelectric:BLSF)引起人們的極大興趣，BLSF的通式可表示為： 如202)2+^凡03|11+1)2 (m可以從1取到6)。其中鈦酸鉍（Bi4Ti3012，簡稱BIT)是典型的鉍層 狀結構的鐵電材料，具有較低的處理溫度、較高的居里溫度（Tc)、良好的剩余極化強度、較 高的介電常數、低介質損耗、較好的鐵電和壓電性能、抗疲勞特性以及不含鉛等優點，成為 新型存儲器候選材料之一，也是目前BLSF材料研究的熱點。其擁有良好鐵電性能，最有望 成為制造非易失性鐵電存儲器材料之一，無論是在工農業、國防、科學研究，還是在日常生 活中，都有著廣泛的應用。同時，其獨特的電學、光學、光電子學性能，在現代微電子、微機電 系統、信息存儲等方面也有著廣闊的應用前景，其在可見光下具有良好光催化性使其大規 模應用于工業水處理成為可能。
[0003] 但是，隨著科技的發展，人們對BIT材料的性能的要求越來越高，雖然對BIT鐵電 材料的研究已經取得了很大的進步，但研究仍表明BIT材料還存在燒結致密性差、壓電活 性低、矯頑場Ec大，不利于極化等不足，致使其壓電性能較低，因此不能完全滿足于工商 業發展對它更高品質的需求。因為BIT已具有較強的壓電及鐵電特性，所以此次我們主要 研究影響其介電特性的因素。實驗通過改變燒結溫度，進而影響其微觀結構，制備出高介電 性能、低損耗的新型信息材料，讓BIT能夠更好的為科學所用，更好的為人類服務。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供了一種對燒結溫度敏感的鈦酸鉍基無鉛介電陶瓷材料，其化 學通式為：Bi4Ti3012。所制備的陶瓷相對于其他的無鉛壓電陶瓷具有介電常數高，介電損耗 小，電阻率大、對燒結溫度敏感等特點。
[0005] 為達到發明目的，本發明提供了無鉛介電陶瓷的制備方法，其方法包括以下步 驟：
[0006] (1)反應物為TiOjPBi203 (純度為99%，使用高純度的反應物可以減少雜質對反 應結果的影響），反應物在干燥器中冷卻至室溫后由化學通式計量比稱重得到，樣品通過傳 統的固相法加工制備。具體配方如下：
[0007]
[0008] (2)粉末在異丙醇中混合并用穩定的氧化鋯研磨物進行24小時球磨并干燥。將干 燥的粉末在溫度為800°C預燒，時間為2小時，預燒后，將粉末球磨12小時，再將該粉狀體研 磨造粒成型。
[0009] (3)將上述粒狀體用單軸鋼模機的壓制成圓片生坯片，具體尺寸參考實施例，并在 200兆帕壓強下冷等靜壓。然后將樣品平均分成兩部分，分別裝入兩個封閉的氧化鋁坩堝， 以盡量減少揮發性氧化祕的損失，一個在ll〇〇°C的溫度下燒結2-3小時，另一個在1150°C 的溫度下燒結2-3小時。本實驗將燒結溫度提高50°C是探究Bi4Ti3012介電性能的關鍵。
[0010] (4)將陶瓷片一部分研磨至粉末，經X射線衍射分析為單相。
[0011] (5)將另一部分煅燒的陶瓷片研磨拋光至0. 9mm的厚度進行介電測量。將金粉敷 到正反兩面，在800°C火爐中燒制成電極，并在非傳導的絲管式爐中進行高溫阻抗譜測量； IS數據通過樣品的幾何形狀（顆粒的厚度/面積）進行校正，并使用ZView軟件進行分析。 相對介電常數和介電損耗通過阻抗分析儀在20°C~600°C下進行測試。
[0012] 經檢測燒結溫度為1100°C居里點663°C，此時在居里點附近的相對介電常數達 76. 7以上，燒結溫度為1150°C居里點為656°C，相對介電常數達22. 67以上，由此可以看出 1100°C時陶瓷片樣品的介電性能明顯優于1150°C。
[0013] (6)使用電鏡對陶瓷片的剖面結構進行研究。陶瓷片截面進行拋光，在990°C熱蝕 刻11小時，然后用金涂覆。并在隨機12組選定的區域內使用微型探針在20千伏電壓下進 行電子探針微量分析。
[0014] (7)使用電鏡對陶瓷片的剖面結構進行研究和微觀分析。
[0015] 本發明具有以下特點：
[0016] (1)采用傳統的固相燒結方法，將原料Ti0jPBi203按照化學計量配比。成功地合 成了BIT新型材料。
[0017] (2)本發明通過在1040°C~1180°C不同溫度下進行燒結得到不同介電特性的陶 瓷片，用于探究在不同化學反應下溫度對材料性能的影響，選取性能最優（1100°c)以及性 能發生反轉（1150°c)的兩個特殊溫度點進行詳細分析，進而篩選出最符合實際應用的介 電材料，實現了對BIT無鉛介電陶瓷各項性能的改良。
[0018] (3)本發明在通過XRD衍射分析確認實驗材料為理論材料后，在阻抗分析儀中進 行高溫阻抗譜分析，得到材料的相對介電常數值與介電損耗數值，并用Zview軟件進行分 析，得到了有關陶瓷材料的各方面電學性能數據，具有重要意義的參考價值。
[0019] (4)本發明進行阻抗譜分析測量數據顯示材料在居里溫度以下具高介電常數和低 介電損耗，log( 〇/ohm km i)VS 1000/T曲線表明材料的活化能在0. 50和0. 73之間。
[0020] 總之，本發明方法所制備的陶瓷介電常數大，介電損耗小并且對燒結溫度敏感，通 過改變燒結溫度可以改變陶瓷的電學性能。
【附圖說明】
[0021] 圖1為XRD衍射圖譜，衍射分析表明實驗反應所得陶瓷片為單相，與理論材料一 致；
[0022] 圖2表示材料在800°C預燒，1KKTC下燒結所測得相對介電常數隨材料環境所處 溫度變化曲線；
[0023] 圖3表示材料在800°C預燒，1150°C下燒結所測得相對介電常數隨材料環境所處 溫度變化曲線；
[0024] 圖4表示材料在800°C預燒，1100°C下燒結所測得介電損耗tgS隨材料環境所處 溫度變化曲線；
[0025] 圖5表示材料在800°C預燒，1150°C下燒結所測得介電損耗tgS隨材料環境所處 溫度變化曲線；
[0026] 圖6表示兩組材料log( 〇/ohm-lcm-1)隨1000/T變化擬合線（斜率代表活化能 大小）；
[0027] 圖7表示材料在800°C預燒，1100°C下燒結所測得電鏡圖；
[0028] 圖8表示材料在800°C預燒，1150°C下燒結所測得電鏡圖。