具pbo玻璃相隔離阻擋層的bto/nzfo復相陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復相陶瓷及其制備方法，尤其涉及一種以ΡΒ0玻璃相為隔離阻擋層的BT0/NZF0復相陶瓷的制備方法，該復相陶瓷是通過外摻方式引入隔離阻擋層從而實現導電相顆粒被均勻包裹的高介低損復相陶瓷。
【背景技術】
[0002]近幾年來，多功能材料在下一代新型電子元器件的研制中扮演著越來越重要的角色，而多鐵材料作為其中的一員，引起了材料科學家的強烈關注。滲流型鐵電/鐵磁復合材料是一種新型的多功能電子材料，它可對外同時呈現鐵電性和鐵磁性，同時，由于滲流效應所產生的介電增強效應，可同時表現出巨介電常數和接近于純鐵磁相的初始磁導率，也即可以同時具備優異的介電性能和磁性能，因而有望應用于數據存儲、濾波器、電磁探測、傳感器、磁電轉換器件等諸多領域。
[0003]滲流效應是指當復相材料中兩相的導電特性相差比較懸殊時，復相材料的有效輸運性能在滲流閾值附近會直觀地表現出臨界行為。比如，電導率和介電常數通常在滲流閾值處呈非線性增加，所以，當復相材料由導電性較好和較差的兩相(即絕緣相/導電相)組成時，它的介電常數和電導率就會在滲流閾值附近隨導電相含量逐漸趨近于滲流閾值而急劇增大若干個數量級，表現出巨介電常數現象。這種表觀現象在許多滲流型復相材料中都被觀測到。從材料在電子器件中應用的角度出發，我們希望得到既具有高介電常數又具有高磁導率的復相材料，但是，要想獲得高磁性能，一般需要提高鐵磁相在體系中的含量。相比介電相而言，鐵磁相通常具有很高的電導率，在滲流閾值以上，鐵磁相導電顆粒會相互連通，形成網絡結構，從而形成可供載流子做長程迀移的導電通路，產生漏電流，其直接結果就是使得復相體系的介電損耗在滲流閾值以上大大增加。可見，為了獲得很高的磁性能和低的介電損耗，通過傳統方法來制備陶瓷，顯然是十分困難的。
[0004]BT0/NZF0(鈦酸鋇/鎳鋅鐵氧體)復相陶瓷是一種典型的滲流型鐵電/鐵磁復相材料，從磁性能角度，其初始磁導率、矯頑力等結構敏感的物理參量均在滲流閾值處隨著顯微拓撲結構的突變而產生非線性變化，而結構不敏感的參量則不受影響；從介電性能角度，在滲流閾值附近，材料內部產生了大量的微電容，從而產生了巨介電增強效應，也即制備的復相陶瓷會獲得巨大的表觀介電常數。當然，這時介電損耗也隨之增大，顯然就削弱了其綜合電磁性能。要想解決這種高介電損耗問題，可以考慮在晶粒之間加入一層絕緣的阻擋層來包裹晶粒以阻止體內電荷的長程輸運，譬如形成一層絕緣相作為隔離層。然而采用傳統燒結方法制備得到的BT0/NZF0復相陶瓷，其滲流閾值大概在0.55?0.65左右，由于體系中ΒΤ0相和NZF0相的晶粒生長速度不同，因而無法自發在高NZF0含量下形成包裹結構。雖然已經有研究表明，可以通過設計一種新的方法，利用兩相結晶特性的不同，人為地控制其形成ΒΤ0相分隔NZF0相晶粒的包裹結構。利用ΒΤ0晶相的絕緣性遠遠優于NZF0晶相，借助相對絕緣的ΒΤ0晶相將NZF0相晶粒完全隔離開來，以切斷復合材料中形成的導電通道，大大降低直流電導所貢獻的介電損耗，使體系具有較低的介電損耗。但是，這種引入原位隔離阻擋層的方法雖然使得體系的介電損耗在NZFO相為90 %時相比常規法降低了 12 %，但是，由于其本身BTO材料仍然具有一定的電導性，因而其介電損耗依然在0.3左右，從高質量應用角度看，其損耗仍然偏高，仍需進一步降低。
[0005]玻璃相是一種常見的高阻相，其絕緣性比ΒΤ0相更好，因此，我們也可以通過采用玻璃相作為隔離阻擋層，來分隔導電顆粒，從而切斷導電通路，降低介電損耗。在以往的研究當中，人們使用玻璃相與復相體系的組成相進行共燒，以獲得均勻復合的三相體系，然而，這種方法存在兩個缺點:一是玻璃相的熔點很低(一般不超過800°C)，而復相陶瓷的組成相通常需要在很高的溫度下進行燒結，這就意味著在如此高的溫度下，玻璃相中的元素極易擴散至組成相的晶格中，輕則發生離子取代，造成晶格畸變，重則發生化學反應，生成雜相，實際上使玻璃相最終消失，這樣既不利于獲得本身性能穩定的復相陶瓷材料，又不利于得到具有隔離層的復相陶瓷；二是因為引入了玻璃相，體系的熔點將大大降低，這使得體系的燒結特性發生了改變，從而使本身制備得到的陶瓷性能遭到破壞。為此，必需開發一種新的制備方法，以獲得既具有陶瓷原有的高性能特征又具有玻璃相隔離絕緣層的且電磁性能更加優異的高介電、低損耗鐵電/鐵磁復相陶瓷體系。
[0006]基于上述分析，我們可以通過人為設計制備工藝來達到目的。首先保證形成具有完整特定晶相的復合粉末作為前驅體，并同時降低復合粉末前驅體的化學活性，再將這種粉體與玻璃相共燒。這種情況下，玻璃相僅在物理上作為隔離阻擋層包裹在晶粒外對導電顆粒進行分隔，而不會與組成相發生劇烈的化學反應。這種方法對獲得同時具有巨介電常數、高磁導率和低介電損耗的復相陶瓷，以及這類電子材料的廣泛應用無疑是十分重要的。在這里，我們提出一種以ΡΒ0 (即2Pb0-B203玻璃)為隔離阻擋層的BT0/NZF0復相陶瓷及其制備方法，該方法工藝簡單，制備方便，便于實現工業化，對進一步開發具有高性能的多功能性電子陶瓷及其在電子器件等相關領域的應用具有重要意義。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種以ΡΒ0玻璃相為隔離阻擋層的BT0/NZF0復相陶瓷及其制備方法。
[0008]本發明的以ΡΒ0玻璃相為隔離阻擋層的BT0/NZF0復相陶瓷，其BT0/NZF0復合顆粒表面包裹有ΡΒ0玻璃相。
[0009]本發明通過如下步驟來制備該復相陶瓷，以同時獲得巨介電常數、很低的介電損耗及具有實用價值的磁性能。具體步驟如下:
[0010](1)用溶膠-凝膠法制備得到BT0/NZF0復合原料粉體，再將其在750?950°C的溫度范圍內進行預燒結；優選的預燒結時長為1.5-3h ;
[0011](2)將預燒結過的復合原料粉體在1280?1310°C的溫度范圍內進行去活性燒結，優選的去活性燒結時長為12-24h，燒結后獲得已經結晶完全的具有低反應活性的ΒΤ0/NZF0復合粉體；
[0012](3)將(2)中的復合粉體與ΡΒ0玻璃粉混合，ΡΒ0玻璃粉為總量的5?20wt %，加入適量聚乙烯醇PVA(優選用量為總量的4-7wt%)研磨均勻，造粒，加壓成型(優選壓力為200-300MPa)。最后升溫至1100?1150°C并保溫3?5小時后冷卻到室溫，升溫速率可以為60-600°C /h，即可得到最終的以PBO玻璃相為隔離阻擋層的BT0/NZF0復相陶瓷。
[0013]本發明與現有技術相比具有的有益效果是:
[0014]1、其中ΡΒ0玻璃相僅在復相陶瓷內部起到絕緣隔離阻擋層的作用，而不與ΒΤ0相或者NZF0相發生強烈的化學反應生成雜相；
[0015]2.BT0/NZF0復合顆粒被絕緣性的ΡΒ0玻璃相均勻分隔并包裹起來，從而切斷了體系內部的導電通路；
[0016]3、采用低活性前驅體與玻璃相復合共燒法，解決了傳統玻璃相共燒時容易對陶瓷的本征性能產生影響的問題，且原理簡單，使其能夠應用于其他類似的復相陶瓷體系；
[0017]4、采用低活性前驅體與玻璃相復合共燒法制備的復相陶瓷，由于其玻璃相的絕緣性能更好，因而其損耗降得更低；
[0018]5、采用低活性前驅體與玻璃相復合共燒法，制備工藝簡單，設備要求低，便于工業化和用于實際生產。本發明可擴大其應用范圍，有望在電子集成領域得到應用。
【附圖說明】
[0019]圖1是實施例1制得的復相陶瓷的電磁性能結果，其中圖1-1為介電常數性能，