[发明专利]具PBO玻璃相隔离阻挡层的BTO/NZFO复相陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复相陶瓷及其制备方法，尤其涉及一种以PBO玻璃相为隔离阻挡层的BTO/NZFO复相陶瓷的制备方法，该复相陶瓷是通过外掺方式引入隔离阻挡层从而实现导电相颗粒被均匀包裹的高介低损复相陶瓷。

背景技术

近几年来，多功能材料在下一代新型电子元器件的研制中扮演着越来越重要的角色，而多铁材料作为其中的一员，引起了材料科学家的强烈关注。渗流型铁电/铁磁复合材料是一种新型的多功能电子材料，它可对外同时呈现铁电性和铁磁性，同时，由于渗流效应所产生的介电增强效应，可同时表现出巨介电常数和接近于纯铁磁相的初始磁导率，也即可以同时具备优异的介电性能和磁性能，因而有望应用于数据存储、滤波器、电磁探测、传感器、磁电转换器件等诸多领域。

渗流效应是指当复相材料中两相的导电特性相差比较悬殊时，复相材料的有效输运性能在渗流阈值附近会直观地表现出临界行为。比如，电导率和介电常数通常在渗流阈值处呈非线性增加，所以，当复相材料由导电性较好和较差的两相(即绝缘相/导电相)组成时，它的介电常数和电导率就会在渗流阈值附近随导电相含量逐渐趋近于渗流阈值而急剧增大若干个数量级，表现出巨介电常数现象。这种表观现象在许多渗流型复相材料中都被观测到。从材料在电子器件中应用的角度出发，我们希望得到既具有高介电常数又具有高磁导率的复相材料，但是，要想获得高磁性能，一般需要提高铁磁相在体系中的含量。相比介电相而言，铁磁相通常具有很高的电导率，在渗流阈值以上，铁磁相导电颗粒会相互连通，形成网络结构，从而形成可供载流子做长程迁移的导电通路，产生漏电流，其直接结果就是使得复相体系的介电损耗在渗流阈值以上大大增加。可见，为了获得很高的磁性能和低的介电损耗，通过传统方法来制备陶瓷，显然是十分困难的。

BTO/NZFO(钛酸钡/镍锌铁氧体)复相陶瓷是一种典型的渗流型铁电/铁磁复相材料，从磁性能角度，其初始磁导率、矫顽力等结构敏感的物理参量均在渗流阈值处随着显微拓扑结构的突变而产生非线性变化，而结构不敏感的参量则不受影响；从介电性能角度，在渗流阈值附近，材料内部产生了大量的微电容，从而产生了巨介电增强效应，也即制备的复相陶瓷会获得巨大的表观介电常数。当然，这时介电损耗也随之增大，显然就削弱了其综合电磁性能。要想解决这种高介电损耗问题，可以考虑在晶粒之间加入一层绝缘的阻挡层来包裹晶粒以阻止体内电荷的长程输运，譬如形成一层绝缘相作为隔离层。然而采用传统烧结方法制备得到的BTO/NZFO复相陶瓷，其渗流阈值大概在0.55～0.65左右，由于体系中BTO相和NZFO相的晶粒生长速度不同，因而无法自发在高NZFO含量下形成包裹结构。虽然已经有研究表明，可以通过设计一种新的方法，利用两相结晶特性的不同，人为地控制其形成BTO相分隔NZFO相晶粒的包裹结构。利用BTO晶相的绝缘性远远优于NZFO晶相，借助相对绝缘的BTO晶相将NZFO相晶粒完全隔离开来，以切断复合材料中形成的导电通道，大大降低直流电导所贡献的介电损耗，使体系具有较低的介电损耗。但是，这种引入原位隔离阻挡层的方法虽然使得体系的介电损耗在NZFO相为90％时相比常规法降低了12％，但是，由于其本身BTO材料仍然具有一定的电导性，因而其介电损耗依然在0.3左右，从高质量应用角度看，其损耗仍然偏高，仍需进一步降低。

玻璃相是一种常见的高阻相，其绝缘性比BTO相更好，因此，我们也可以通过采用玻璃相作为隔离阻挡层，来分隔导电颗粒，从而切断导电通路，降低介电损耗。在以往的研究当中，人们使用玻璃相与复相体系的组成相进行共烧，以获得均匀复合的三相体系，然而，这种方法存在两个缺点：一是玻璃相的熔点很低(一般不超过800℃)，而复相陶瓷的组成相通常需要在很高的温度下进行烧结，这就意味着在如此高的温度下，玻璃相中的元素极易扩散至组成相的晶格中，轻则发生离子取代，造成晶格畸变，重则发生化学反应，生成杂相，实际上使玻璃相最终消失，这样既不利于获得本身性能稳定的复相陶瓷材料，又不利于得到具有隔离层的复相陶瓷；二是因为引入了玻璃相，体系的熔点将大大降低，这使得体系的烧结特性发生了改变，从而使本身制备得到的陶瓷性能遭到破坏。为此，必需开发一种新的制备方法，以获得既具有陶瓷原有的高性能特征又具有玻璃相隔离绝缘层的且电磁性能更加优异的高介电、低损耗铁电/铁磁复相陶瓷体系。