一种层状磁电复合材料及其制备方法

本发明属于复合材料，具体为一种层状磁电复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着信息技术的迅速发展，单一功能材料难以满足新型电子元器件的微型化和多功能化的需求，研制多重功能材料成为研究热点。磁电功能材料不仅具备单一铁电材料和铁磁材料的所有特性，且具有由电有序、磁有序耦合所产生的磁电效应，使其在磁或电场传感器、磁电存储单元、能量采集器件及微波器件等电子材料与器件领域具有广阔应用前景。

2、磁电功能材料按复合结构型式大致可分为颗粒型、层状型和柱状型三类。层状型磁电复合材料是将压电层与磁致伸缩层共烧形成复合体磁电材料，与颗粒型和柱状型复合结构相比，层状型复合材料因其叠层结构构型，可避免低阻相在基体中分散不均以及连通造成的漏电流问题；同时相界面直接共烧结合能提高界面应力传递，利于获得高磁电电压系数和高磁电转换效率，因此作为磁电转换单元或敏感元件在新型智能磁电材料与器件应用领域发挥独特作用。

3、界面耦合作用是决定层状磁电复合材料的磁电效应的关键因素之一，提高压电层与磁致伸缩层界面耦合强度十分重要。但直接高温共烧压电与磁致伸缩两层界面易出现的元素扩散及化学反应、微结构缺陷以及热收缩失配等问题，弱化了界面应力传递，制约了高磁电耦合系数的产生。尽管已采用降低共烧温度、掺杂改性或引入助烧剂等方法在一定程度上改善了共烧过程的界面耦合作用，但易导致的材料致密度低，界面处晶粒异常生长等新问题的出现，不利于层状型磁电复合材料材料的磁电耦合性能提升。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供种一种层状磁电复合材料及其制备方法，磁电层状复合材料中相界面结合紧密，无明显裂纹或孔隙等微结构缺陷，界面应力耦合增强，利于产生强磁-电耦合响应，获得高磁电耦合系数，具有良好压电性能、磁致伸缩特性和高磁电电压系数，且制备工艺简单，性能稳定，环保无害，适用于磁电传感器、能量采集器和滤波器等电子器件领域。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种层状磁电复合材料，包括依次设置的三层：第一层为bi0.5na0.5tio3基压电材料层，第二层为bi0.5na0.5tio3基压电材料与铁氧体磁致伸缩材料复合层，第三层为铁氧体磁致伸缩材料层。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、第二层bi0.5na0.5tio3基压电材料与铁氧体磁致伸缩材料复合层的压电材料与磁致伸缩材料体积分数比例为1:1。

6、第一层、第二层和第三层的层厚比例为3:1:6～3:1:8。

7、第二层和第三层中的铁氧体磁致伸缩材料为具有尖晶石结构(co0.2ni0.2cu0.2zn0.2mg0.2)fe2o4、(co0.2ni0.2mn0.2zn0.2mg0.2)fe2o4中的一种。

8、所述压电相为bi0.5k0.5tio3改性bi0.5na0.5tio3的铁电固溶体，分子式为(1-x)bi0.5na0.5tio3-xbi0.5k0.5tio3，x取值范围为0.18≤x≤0.2。

9、一种基于上述层状磁电复合材料的制备方法，包括如下步骤：

10、步骤s1：制备铁氧体磁致伸缩粉体：将金属硝酸盐加入水、络合剂，混合并调节ph值，加热、搅拌，得铁氧体溶胶；干燥溶胶并充分燃烧，经烧结、球磨粉碎，得磁致伸缩材料；

11、步骤s2：制备压电相粉体：将氧化物或碳氧化合物原料称重配料、球磨混合、烧结并破碎，得压电相材料；

12、步骤s3：制备磁电复合粉体：将步骤s1制备的磁致伸缩材料和步骤s2制备的压电相粉体按照设定比例充分混合并干燥，得复合粉体；

13、步骤s4：制备层状磁电复合材料：将设定重量的压电相粉体中加入粘结剂，混合均匀，压制成胚，得压电相胚层；将设定重量的所述复合粉体中加入粘结剂，搅拌均匀，倒至压电相胚层上，压制成复合层；将设定重量的铁氧体磁致伸缩粉体中加入粘结剂，搅拌均匀，将其倒置在所述复合层上，压制成层胚体；加热排胶，进行微波烧结，冷却，得到层状磁电复合材料。

14、步骤s1中将多种金属硝酸盐溶于去离子水中并加入络合剂，多种金属硝酸盐为六水合硝酸镍、六水合硝酸钴、六水合硝酸锌、三水合硝酸铜、六水合硝酸镁、四水合硝酸锰和九水合硝酸铁中的两种或两种以上。

15、步骤s1中，干燥溶胶时的温度为140～160℃，干燥时间为3～5h；烧结温度为1210～1250℃，烧结时间为4～6h。

16、步骤s1中，将混合溶液的ph值调节为中性。

17、步骤s1中，所述搅拌时间为4～5h，所述搅拌的转速为500～950r/min。

18、步骤s1中，所述干燥的温度为140～160℃，干燥的时间为3～5h。较佳的，干燥温度为150℃。

19、步骤s1中，所述燃烧的温度为400～500℃，燃烧的时间为1.5～3h。较佳的，所述燃烧温度450℃。

20、步骤s1中，所述烧结温度为1210～1250℃，烧结时间为4～6h。

21、步骤s2中，所述烧结温度为1100～1150℃，烧结时间为1～2h。

22、步骤s3中，将步骤s1制备的磁致伸缩材料和步骤s2制备的压电相粉体按照设定比例充分混合并干燥，得复合粉体。

23、步骤s4中，所述粘结剂为聚乙烯醇；所述压制成胚的压力为60～80mpa；所述加热排胶的温度为500～650℃，加热排胶的时间为20～45min；所述微波烧结的温度为1070～1120℃，烧结时间为20～30min。

24、步骤s4中，按设定比例计算的重量称取压电相粉体、复合粉体和铁氧体磁致伸缩粉体的重量。

25、本发明的有益效果是：

26、1)所述层状磁电复合材料致密度高，相界面结合紧密，无明显结构缺陷，可解决磁致伸缩相和压电相共烧收缩失配问题；材料具有良好的压电性能、磁致伸缩特性、层间耦合作用以及优异的磁电耦合效应，磁电耦合系数高；

27、2)采用具有高熵组分的铁氧体磁致伸缩材料，结合中间复合层的引入，制成的层状磁电复合材料的力学强度优于普通的层状磁电复合，能适合大尺寸、复杂磁电材料的领域。

28、3)采用改性无铅bi0.5na0.5tio3基压电材料，环境友好，减少环境污染；同时具有较大的极化强度和较强压电响应，并可通过掺杂改性和工艺控制调节材料的电学性能，以满足各种不同应用需求。

29、4)采用微波烧结工艺烧结层状磁电复合材料，时间短，能耗低，安全且无污染；且其操作简单，制得的材料性能稳定。

技术特征：

1.一种层状磁电复合材料，其特征在于，包括依次设置的三层：第一层为bi0.5na0.5tio3基压电材料层，第二层为bi0.5na0.5tio3基压电材料与铁氧体磁致伸缩材料复合层，第三层为铁氧体磁致伸缩材料层。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：第二层bi0.5na0.5tio3基压电材料与铁氧体磁致伸缩材料复合层的压电材料与磁致伸缩材料体积分数比例为1:1。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：第一层、第二层和第三层的层厚比例为3:1:6～3:1:8。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：第二层和第三层中的铁氧体磁致伸缩材料为具有尖晶石结构(co0.2ni0.2cu0.2zn0.2mg0.2)fe2o4、(co0.2ni0.2mn0.2zn0.2mg0.2)fe2o4中的一种。

5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述压电相为bi0.5k0.5tio3改性bi0.5na0.5tio3的铁电固溶体，分子式为(1-x)bi0.5na0.5tio3-xbi0.5k0.5tio3，x取值范围为0.18≤x≤0.2。

6.一种基于权利要求1～5任一所述的层状磁电复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中将多种金属硝酸盐溶于去离子水中并加入络合剂，多种金属硝酸盐为六水合硝酸镍、六水合硝酸钴、六水合硝酸锌、三水合硝酸铜、六水合硝酸镁、四水合硝酸锰和九水合硝酸铁中的两种或两种以上。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，干燥溶胶时的温度为140～160℃，干燥时间为3～5h；烧结温度为1210～1250℃，烧结时间为4～6h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述烧结温度为1100～1150℃，烧结时间为1～2h。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤s4中，所述粘结剂为聚乙烯醇；所述压制成胚的压力为60～80mpa；所述加热排胶的温度为500～650℃，加热排胶的时间为20～45min；所述微波烧结的温度为1070～1120℃，烧结时间为20～30min。

技术总结
本发明提供了一种层状磁电复合材料及其制备方法，所述层状磁电复合材料包括依次设置的三层：第一层为Bi<subgt;0.5</subgt;Na<subgt;0.5</subgt;TiO<subgt;3</subgt;基压电材料层，第二层为Bi<subgt;0.5</subgt;Na<subgt;0.5</subgt;TiO<subgt;3</subgt;基压电材料与铁氧体磁致伸缩材料复合层，第三层为铁氧体磁致伸缩材料层。制备方法为：S1：制备铁氧体磁致伸缩粉体；S2：制备压电相粉体；S3：制备磁电复合粉体；S3：制备磁电复合粉体。本发明的磁电层状复合材料中相界面结合紧密，无明显裂纹或孔隙等微结构缺陷，界面应力耦合增强，利于产生强磁‑电耦合响应，获得高磁电耦合系数，具有良好压电性能、磁致伸缩特性和高磁电电压系数，且制备工艺简单，性能稳定，环保无害。

技术研发人员：刘胜,邹鸿翔,高平平,贺君
受保护的技术使用者：湖南工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12