[发明专利]一种高极化强度铁酸铋陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高极化强度铁酸铋陶瓷材料及其制备方法，所述制备方法包括：以Bi₂O₃、Fe₂O₃粉体为原料经固相煅烧合成、研磨过筛得到BiFeO₃粉体；对所得BiFeO₃粉体进行放电等离子烧结，所述放电等离子烧结的工艺参数为：以150~180℃/分钟的升温速度升至780～820℃，保温4～6分钟，烧结过程中所加的压力为75～85MPa；对制得的陶瓷进行除碳处理，所述除碳处理的工艺参数为：以1.5~2.5℃/分钟的升温速度升至550~650℃，保温4~6小时，然后随炉冷却到室温；将制得的除碳后的陶瓷进行退火处理，所述退火处理的工艺参数为：以2.5~3.5℃/分钟的升温速度升至650~750℃，保温4~6小时，然后随炉冷却到室温。

技术领域

本发明属于功能陶瓷领域，涉及一种铁电陶瓷材料，尤其涉及一种放电等离子烧结(SPS)制备的高极化强度铁电陶瓷材料及其陶瓷元件。

背景技术

铁电陶瓷是一类重要的功能性陶瓷材料，因其具有介电性、压电性、热释电性和电光效应等重要特性，可以用于铁电随机存储器、热释电探测器和移相器等多种功能器件。

铁酸铋(BiFeO₃)是当前材料领域研究的前沿热点之一。截至目前，它是唯一的一种在室温下同时具有铁电性和铁磁性的单相多铁性材料。理论计算表明，铁酸铋具有大的自发极化值90～100μC/cm²(Physical Review B 71,014113(2005))，该数值在铁酸铋薄膜中得到了证实，目前报道的铁酸铋薄膜的剩余极化强度P_r在50～150μC/cm²之间(Science299,1719(2003)、Japanese Journal of Applied Physics 43,L647(2004)、Journal ofthe Korean Physical Society 51,882(2007)。

然而对于铁酸铋陶瓷，由于烧结温度范围窄、高漏电流而难以如同铁酸铋薄膜那样获得较高的剩余极化强度。为了解决这个问题，科研工作者们尝试了多种烧结方法，如快速液相烧结(Applied Physics Letters 84,1731(2004))和放电等离子烧结(SPS)等，其中放电等离子烧结(SPS)制备的铁酸铋陶瓷有过很多报道(Materials Research Bulletin44,555(2009)、Physica B 407,1196(2012)、Journal of the European CeramicsSociety 35,131(2015))，但其剩余极化强度P_r低于10μC/cm²。

发明内容

针对现有技术存在的问题，旨在提供一种改进的制备工艺以获得具有大的极化强度的铁酸铋陶瓷材料。

本发明首先提供一种高极化强度的BiFeO₃铁电陶瓷材料的制备方法，所述制备方法包括：

(1)以Bi₂O₃、Fe₂O₃粉体为原料经固相煅烧合成、研磨过筛得到BiFeO₃粉体；

(2)对所得BiFeO₃粉体进行放电等离子烧结，所述放电等离子烧结的工艺参数为：以150～180℃/分钟的升温速度升至780～820℃，保温4～6分钟，烧结过程中所加的压力为75～85MPa；

(3)对步骤(2)制得的陶瓷进行除碳处理，所述除碳处理的工艺参数为：以1.5～2.5℃/分钟的升温速度升至550～650℃，保温4～6小时，然后随炉冷却到室温；