[发明专利]2－2型铁电体－铁氧体多层复合磁电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电体-铁氧体多层复合材料，尤其是涉及一种具有磁电性能的2-2型多层复合材料及其通过流延成型和共烧技术制备的2-2型铁电体-铁氧体多层复合磁电材料及其制备方法。

背景技术

磁电材料是近几十年来迅速发展起来的一种新型多功能材料(W.Eerenstein，N.D.Mathur，J.F.Scott，Multiferroic and magnetoelectric materials.Nature，442(7104)：759-765，2006)。磁电材料即具有磁电效应的材料，磁电效应是一种典型的铁性耦合效应，给磁电物质施加磁场可以产生相应的电场；反之，施加一定的电场可以产生相应的磁场。由于这种耦合效应可以在传感器、数据存储器、开关等器件，以及微波领域和高压输电线路的电流测量等领域有着巨大的潜力，因此磁电材料受到高度重视，成为热点研究领域(J.F.Scott，Electricalcharacterization of magnetoelectrical materials.Journal of Materials Research，22(8)：2053-2062，2007)。

磁电材料包括单相磁电材料和多相复合磁电材料。

单相磁电材料是指材料中只有一种相结构，如BiFeO₃，EuMnO₃，Cr₂O₃等材料。单相磁电材料的磁电效应源于材料内部有序的磁结构和铁电亚晶格间的交换作用，但到目前为止，由于单相磁电材料的磁电性能很低，且大多只能在低温下才能被观测到，因此在实际应用中受到了限制。

多相复合磁电材料是指材料中包括至少2种相结构，压电相和压磁相复合在一起，通过机械力的传递，利用压电相与压磁相之间的乘积作用产生磁电效应(周剑平，何泓材，施展，等，PMNNT/CoFe2O4复合材料的结构和磁电性能，硅酸盐学报，2006，34(10)：1213-1219)，即：

复合材料的乘积作用使原本不具有磁电效应的材料组分经过复合之后产生了磁电效应，这为制备高性能的磁电材料开辟了一条新途径。复合材料的选材变得灵活且丰富，所产生的磁电效应，在理论和实验上，其磁电系数，往往都要比单相磁电材料大得多，极大地拓展了磁电材料的应用前景。

多相复合磁电材料的结构具有多样化特征，概括起来主要有3种(刘小辉，屈绍波，陈江丽，徐卓，磁电材料的研究进展及发展趋势.稀有金属材料与工程，2006，35 suppl.(2)：13-16)：(1)颗粒复合型(0-3型)，将压电相和压磁相均匀混合，通过高温烧结和粘结的方式复合在一起；(2)叠层复合型(2-2型)，采用共烧、流延、粘结等方法把压电和压磁相复合在一起；(3)1-3复合型，其中一相为一维柱状或纤维状镶嵌在另一相之中。实验表明：叠层复合材料的磁电效应大于颗粒复合，柱状阵列结构复合材料的磁电效应又大于叠层结构，但在材料的制备过程中，颗粒复合制备过程较为简单，柱状结构的制备最为复杂，而2-2型的材料既具有相对简单的制备工艺，同时也保持了相对较高的磁电系数，最容易实现制备和性能的优化。

目前复合磁电材料的研究较多的体系主要有以下两类(张辉，杨俊峰，方亮，杨卫明，铁电-铁磁复合材料的研究现状及发展趋势.材料导报，2003，17(6)：64，)：(1)铁电体-铁氧体复合陶瓷体系；(2)铁电体-铁磁合金-有机聚合物体系。这两种体系都可以根据制备工艺的不同而具有不同的复合结构形式。相对于铁氧体材料，铁磁合金由于具有更高的力-磁耦合性能，因此第(2)类复合磁电材料在理论上可以获得更高的磁电系数，但由于铁磁合金的电阻率很低，因此在高频下，容易产生较大的涡流损失，应用受到了限制。同时由于采用有机聚合物作为压电相与压磁相之间的粘结介质，在磁电转换中容易导致应力传递的损失。此外由于有机聚合物在较高温度下的弹性性能的易变，也限制了第(2)类磁电复合材料在苛刻温度环境下的应用。而采用铁氧体作为压磁相，虽然在理论上其磁电系数比第(2)类复合磁电材料的要低一些，但由于电阻率较高，在高频下适合应用；能够通过陶瓷共烧技术达到两相界面的紧密结合，避免两相之间应力传递的损失；可以满足苛刻温度环境下的使用要求。因此，第(1)类的复合磁电材料在实用化方面更为优越。