专利名称：一种改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法。
背景技术：
单相多铁材料稀土锰氧化物WMn03 (W = Ho-Lu， Y and Sc )，具有六 方钩钛矿结构(空间群为P&cw)，每个锰原子被同一平面内的三个氧原 子和两个顶角氧原子围绕形成MnOs三角双锥体，每个稀土原子与七个氧 原子连结构成及07多面体。沿着c轴，共顶点的Mn05双棱锥层和共边的 i 07多面体层堆垛形成接近二维特性的层状三明治结构。这种独特的近二 维晶体结构导致了铁电性的出现。静电效应和稀土离子W+的小尺寸效应 造成的MnOs双棱锥的倾斜，以及巨大的及-Op偏离对称中心的位移是诱 发铁电畸变的主要因素。对于该类材料，可以利用传统的高温常压固态 反应方法获得，但这种方法制备的稀土锰氧化物存在很多的气孔、缺陷 等，即材料的致密性差，绝缘性能不好，不利于对材料的铁电性能进行 表征。在进行铁电性能方面的研究时，在电场的作用下，致密性差的样 品会表现出较大的漏电问题，使我们很难获得饱和的电滞回线，而且材 料的介电损耗值也比传统的典型铁电体BaTi03陶瓷的大了许多，漏电流 是导致损耗值过大的主要原因。除了样品的致密程度以外，样品中的氧 空位迁移，以及样品中的晶界效应等也是产生漏电的主要因素。因此， 寻找提高样品的致密度，减少样品中的氧空位及晶界效应的方法对改善 样品铁电性能有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种改善单相多 铁陶瓷材料铁电性能的方法，该方法利用高温高压的方式制备高致密的 单相多铁陶瓷材料，并对其在氧气氛下低温热处理，使处理后的材料表 现出更好的铁电性能。为实现上述目的，本发明一种改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方
法，具体为
1 ) 将99.9%高纯的Sc203和癒203氧化物4分末以1:1的摩尔比混 合、研磨均匀，在800-1000。C的条件下进行初步烧结，保温 12-48小时；
2)将初烧后的混合物均匀研磨后进行包裹封装，并在4-5Gpa、
900-1150。C的条件下进行保温保压10-30分钟来合成样品，然
后将样品淬火至室温，并卸压； 3 )在加热炉中02氛围下将高压制备的单相ScMn03陶资样品做
低温热处理，热处理的温度范围是300-600。C，热处理时间为
8-20小时。
进一步，所述步骤l)中初步烧结的优选温度是900。C，优选保温时 间是12小时。
进一步，所述步骤2)中处理条件的优选值是在5Gpa、 IOO(TC的条 件下进行保温保压15分钟。
进一步，所述步骤3)中热处理的优选温度是500。C,优选保温时间 是12小时。
进一步，所述步骤2)中混合物被包裹在金荡中，并封装在氮化硼管内。
进一步，所述加热炉为石墨加热炉或箱式电阻炉。 进一步，所述步骤2)中样品合成在六面顶大压机上进行，具体为 首先进行温度和压力的标定，用控制加热功率的方法控制加热温度；在 室温下緩慢升压至5GPa，再启动加热程序加热至1000°C，在高温高压条 件下保温15分钟后，淬火至室温，最后緩慢卸压。
本发明用高温高压固态反应方法制备了高致密的单相多铁陶瓷材料 ScMn03,然后进行氧气中低温热处理。通过测试我们发现，与普通的常 压高温方法制备的ScMn03样品相比，由高压方法制备并在50(TC的条件 下热处理过的样品的相对密度超过95%，远大于常压制备的样品密度 700/。左右，电阻也有了很大的增加，表现出更好的绝缘性和铁电性能。
图1为本发明制备的单相ScMn03样品和在500°C条件下对高压制
备的ScMn03样品热处理后的X射线衍射镨(XRD)图语；
图2a为本发明高温常压制备的ScMn03样品的扫描电镜(SEM)图； 图2b为本发明高温高压制备的ScMn03样品的扫描电镜(SEM)图； 图3是本发明中高温高压制备的单相ScMn03陶瓷样品、高压高温制
备后氧气中退火的单相ScMn03陶瓷样品、及高温常压制备的单相
ScMn03陶瓷样品的漏电流随电压变化关系的比较；
图4a为本发明高温常压制备的ScMn03样品进行氧气中热处理后，
在室温、电场作用下的电滞回线图4b为本发明高温高压制备的ScMn03样品进行氧气中热处理后，
在室温、不同电场作用下的电滞回线图。
具体实施例方式
实施例1:
利用高温高压方法制备高致密单相ScMn03多铁陶瓷样品。
(1) 将99.9%高纯的Sc203和癒203氧化物粉末以1:1的摩尔比混 合、研磨均匀，在900。C的条件下进行初步烧结，保温12小时。
(2) 将初烧后的混合物均匀研磨后压成直径5mm的小圓片，用金 箔包裹，并逐步封装在氮化硼管、石墨加热炉内，最后装入高压组装件 内进行高压合成。样品合成在六面顶大压机上进行，高压实验前首先进 行温度和压力的标定，用控制加热功率的方法控制加热温度。先在室温 下緩慢升压至5GPa，再启动加热程序加热至1000°C,在高温高压条件下 保温15分钟后，淬火至室温，最后緩'隄卸压。
(3) 将高温高压合成的单相ScMn03多铁样品进行不同温度的低温 热处理在管式炉中，在氧气氛中将该样品在500。C下进行热处理，热处 理时间为12h。
实施例2:利用高温常压固态反应方法制备单相ScMn03多铁陶资样
加O
(1)将99.9%高纯的Sc203和,203氧化物粉末以1:1的摩尔比混 合、研磨均匀，在箱式电阻炉中，900°C的条件下进行初步烧结，保温24h。
(2) 将初步烧结后的混合物粉末碾磨均匀，用压力机压成直径为 10mm的小圆片，然后再放入箱式电阻炉中进行第二次充分烧结，烧结条 件为1200。C,保温48h。
(3) 将高温常压合成的单相ScMn03多铁样品进行低温热处理在 管式炉中，在氧气氛中将该样品在500。C下进行热处理，热处理时间为 12h。
如图1所示，本发明所涉及的高温高压方法，与常压下传统的固态 反应方法都制备了较纯的单相ScMn03多铁陶资样品。但后者制备的样品 相对密度较低，仅达到70%左右，而本发明的高温高压方法制备的样品 密度高达95%。从扫描电镜的照片中(如图2a、图2b所示)也可以看 出，常压烧结方法得到的样品的颗粒之间排列比较疏松，有较多的气孔 存在，而高压方法制备的样品具有很高的致密性，高致密度是获得高质 量陶瓷的必要条件，并且有助于改善材料的铁电性能。高温和高压都会 使样品产生氧空位，氧空位作为电荷缺陷在外加电压的条件下会产生电 荷载流子从而增加样品的导电性产生漏电流。漏电流不利于样品的铁电 信号的获得，因此为了研究样品的致密度以及样品中的氧空位迁移对样 品漏电流以及对样品铁电测试结果的影响，我们给出了高压方法、常压 方法获得的及氧气中退火处理后的样品的漏电流随电压变化关系的比 较，如图3所示。高压方法制备的样品的绝缘性能较好，电阻为2.33 x 101()比常压烧结的样品电阻大IO倍左右，氧气氛下热处理后的样品由于 部分氧空位的消除使样品的漏电流有了较大程度的减小，样品表现出更 好的绝缘性能，电阻为5.12x 101G。如图4a、图4b所示，该图给出了高 温常压和高温高压方法制备的样品热处理后的电滞回线的比较，高压方 法制备和氧气氛中退火处理使ScMn03多铁材料的表现出更好，更本证的 铁电性能。
权利要求
1、一种改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，具体为1)将99.9％高纯的Sc2O3和Mn2O3氧化物粉末以1∶1的摩尔比混合、研磨均匀，在800-1000℃的条件下进行初步烧结，保温12-48h；2)将初烧后的混合物均匀研磨后进行包裹封装，并在4-5Gpa、900-1150℃的条件下进行保温保压10-30分钟，来合成样品，然后将样品淬火至室温，并卸压；3)在加热炉中O2氛围下将高压制备的单相ScMnO3陶瓷样品做低温热处理，热处理的温度范围为300-600℃，热处理时间为8-20h。
2、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述步骤l)中初步烧结的优选温度是900。C，优选保温时 间是12小时。
3、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述步骤2)中处理条件的优选值是在5Gpa、 1000。C的条 件下进行保温保压15分钟。
4、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述步骤3)中热处理的优选温度是500。C,优选保温时间 是12小时。
5、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述步骤2中混合物被包裹在金箔中，并封装在氮化硼管 内。
6、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述加热炉为石墨加热炉或箱式电阻炉。
7、 如权利要求1所述的改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，其特 征在于，所述步骤2)中样品合成在六面顶大压机上进行，具体为 首先进行温度和压力的标定，用控制加热功率的方法控制加热温度； 在室温下緩慢升压至5GPa,再启动加热程序加热至IOO(TC，在高温 高压条件下保温15分钟后，淬火至室温，最后緩慢卸压。
全文摘要
本发明公开了一种改善单相多铁陶瓷材料铁电性能的方法，具体为将99.9％高纯的Sc<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Mn<sub>2</sub>O<sub>3</sub>氧化物粉末以1∶1的摩尔比混合、研磨均匀，在900℃的条件下进行初步烧结，保温12小时；将初烧后的混合物均匀研磨后进行包裹封装，并在5GPa、1000℃的条件下进行保温保压15分钟，来合成样品，然后将样品淬火至室温，并卸压；在加热炉中O<sub>2</sub>氛围下将高压制备的单相ScMnO<sub>3</sub>陶瓷样品做低温热处理，热处理的温度为500℃，热处理时间12h。本发明用高温高压固态反应方法制备了高致密的单相多铁陶瓷材料ScMnO<sub>3</sub>，然后进行氧气中低温热处理。通过测试我们发现，该材料的相对密度超过95％，远大于常压制备的样品密度70％左右，电阻也有了很大的增加，表现出更好的绝缘性和铁电性能。
文档编号C04B35/622GK101648813SQ20091009238
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者朱金龙, 王丽娟, 靳常青 申请人:中国科学院物理研究所