[发明专利]一种二氧化锰掺杂的氧化铪陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化铪基陶瓷技术领域，尤其是涉及一种二氧化锰掺杂的氧化铪陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氧化铪(HfO₂)材料在催化技术、氧探测器、高温燃料电池以及氧化物半导体装置中的栅介质、光导装置中有着广泛的应用潜力。氧化铪(HfO₂)也是一种高温结构陶瓷材料，熔点高达3173K，具有与氧化锆相似的晶体结构和离子电导性能，但与后者相比，HfO₂材料在高温下的相变温度比ZrO₂高，因此HfO₂材料具有更好的抗热震性能和更高的化学稳定性。在大气环境下，氧化铪存在三种同质异形体，即单斜晶系(m-HfO₂)、四方晶系(t-HfO₂)和立方晶系(c-HfO₂)。纯的HfO₂在烧结后的冷却过程中会发生四方相到单斜相的马氏体相变，同时伴随有体积变化，导致制备的材料开裂，因而限制了氧化铪材料在工程上的应用。

单一的氧化铪基材料很难得到大量应用，在HfO₂材料中掺杂不同离子，在高温烧结时将形成四方相或立方相固熔体，在冷却时可以抑制四方相向单斜相的转变，这样在室温时就可以获得四方相或者立方相氧化铪，优化了材料的性能。特别是对于半导体中的栅极材料，理论计算表明，虽然单斜相的介电常数较非晶态氧化铪的介电常数小，但是四方相的介电常数可以高达70，因此稳定高温四方相成为氧化铪材料研究的重要方向。重稀土离子Dy³⁺、Yb³⁺和Y³⁺是最好的掺杂物。但由于地壳中HfO₂含量很少(1ug/g)，价格比较昂贵，因此应用并不广泛，相应的研究很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种二氧化锰掺杂的氧化铪陶瓷材料及其制备方法，其制备工艺简明、操作简便且成本低，同时所制备的氧化铪陶瓷材料也具有良好的稳定性和导电率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种二氧化锰掺杂的四方氧化铪陶瓷材料，其特征在于：由摩尔百分比为20％～50％的掺杂物和摩尔百分比为50％～80％的氧化铪HfO₂组成，所述掺杂物为过渡金属氧化物二氧化锰MnO₂。

制备一种二氧化锰掺杂的四方氧化铪陶瓷材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、按摩尔百分比分别称量氧化铪HfO₂和二氧化锰MnO₂；

步骤二、将称量好的氧化铪HfO₂和二氧化锰MnO₂的粉末均倒入研钵进行充分研磨混合，制得混合粉料，其研磨混合时间为2-5h；

步骤三、采用压力机在8～10MPa的压力下将所述混合粉料压制成坯料片；

步骤四、将所述坯料片放入高温管式炉中且在氩气气氛下进行高温烧结，获得高温烧结片：高温烧结时，所述高温管式炉的升温速率不大于300℃/h，烧结温度为1300～1400℃且保温时间为12～24h；

步骤五、随炉冷却：将所述高温烧结片随炉冷却至室温后，即获得二氧化锰掺杂的四方氧化铪陶瓷材料。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、以氧化铪为基体，一种过渡金属氧化物二氧化锰作为掺杂物，采用固态烧结法制备单一掺杂物掺杂的四方氧化铪陶瓷，突破了传统的利用稀土氧化物来掺杂氧化铪的局限，采用过渡金属氧化物来制备稳定氧化铪，为开发稳定氧化铪技术提供了新的思路。2、合成工艺技术条件及操作方法简明，具有准确、高效、反应条件易控制、反应充分等特点。3、制备的二氧化锰掺杂的四方氧化铪陶瓷材料具有良好的稳定性。综上所述，本发明采用过渡金属氧化物二氧化锰作为掺杂物制备四方相氧化铪材料，制备工艺简明、操作简便且成本低，具有高效、反应条件易控制等特点；同时，经本发明制备的氧化锰掺杂的四方氧化锆陶瓷材料具有良好的稳定性和导电率，是一种优异的结构陶瓷材料和固体电解质材料，有利于拓展氧化铪材料的研究领域。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的制备工艺流程图。

具体实施方式

实施例1