[发明专利]金红石结构高熵氧化物粉体及陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种金红石结构高熵氧化物粉体及陶瓷，先是制备金红石结构高熵氧化物粉体，再通过传统固相烧结法制备高熵金红石结构陶瓷；尤其是制备出金红石结构无铅铁电高熵氧化物粉体，通过金红石中的组分高熵化诱导量子顺电体金红石出现铁电性，并通过传统固相烧结法制备多元金红石陶瓷。该方法制备的金红石结构无铅铁电高熵氧化物陶瓷具有良好的储能性能。该铁电陶瓷可作为能量储存材料，无铅信息功能材料，催化材料等。同时，该制备方法具有工艺简单、成本低、制备周期短等特点。

技术领域

本发明涉及高熵氧化物粉体及陶瓷领域，具体涉及一种高储能密度、储能效率的金红石结构无铅铁电高熵氧化物陶瓷、及其制备方法。

背景技术

高熵氧化物(HEOs)是一类新兴的材料，继Rost等人(Nat Commun,2015,6(p8485),在2015年首次报道岩盐型HEOs之来，不同结构的HEOs被陆续合成出来，例如萤石结构(Journal of the European Ceramic Society,2018,38(10):p3578-3584),钙钛矿结构(Scripta Materialia,2018,142(p116-120),立方铁锰矿结构(Journal ofthe AmericanCeramic Society,2019,103(1):p569-576),尖晶石结构等(Journal of MaterialsChemistry A,2019,7(42):p24211-24216)等，2019年Kirnbauer等人(Vacuum,2019,168(p108850)合成出一种高熵金红石结构薄膜，但尚未有金红石结构高熵氧化物粉体及陶瓷的报道。

二氧化钛，即TiO₂，其稳定相是金红石结构，常温下是四方结构，近似认为是线性电介质，介电常数约为300。TiO₂陶瓷介电损耗低，有良好的介电性能温度稳定性和频率稳定性，击穿性能优异，可用于制造多种器件，如电容器、压电超声换能器、电致伸缩驱动器、SAW衬底等。此外，与传统铁电压电材料相比，TiO₂基铁电体不含铅，是一种新型环保材料。因为TiO₂是一种典型的量子顺电体，室温下呈顺电相，目前对于TiO₂铁电性的诱导方法有Mani等人(Advanced Materials,2008,20(7):p1348-1352)提出的Fe，Ta共掺杂的方法；Yu等人(Acta Materialia,2018,150(p173-181)提出的Nb，Al共掺杂的方法；Wang等人(Materials Research Bulletin,2013,48(9):p3098-3102)提出的Fe，Nb共掺杂方法等。

TiO₂在室温下为顺电相，若使其作为信息存储器来使用，则必须诱导TiO₂在室温下出现铁电性，如上所述，现有的诱导方法多是一些掺杂的方法，但是掺杂剂过多极易在基体内产生第二相，并会导致材料性能发生恶化。迄今为止，将金红石结构进行组分高熵化并诱导TiO₂出现室温铁电性未见相关报道。

发明内容

本发明提出一种金红石结构高熵氧化物粉体及陶瓷的制备方法，先是制备金红石结构高熵氧化物粉体，再通过传统固相烧结法制备高熵金红石结构陶瓷；尤其是制备出金红石结构无铅铁电高熵氧化物粉体，通过金红石的组分高熵化诱导量子顺电体金红石结构出现铁电性，并通过传统固相烧结法制备高熵金红石结构无铅铁电陶瓷，与其他制备方法的显著区别是传统方法对于先兆性铁电体金红石的诱导多是掺杂改性，掺杂的元素含量都很低，且未有报道通过高熵化的方法诱导出现金红石的铁电性。此外该方法制备的金红石结构无铅铁电高熵氧化物陶瓷具有良好的储能性能。该铁电陶瓷可作为能量储存材料，无铅信息功能材料，催化材料等，同时，该制备方法具有工艺简单、成本低、制备周期短等特点。

本发明提供一种金红石结构高熵氧化物粉体的制备方法，其包括以下操作步骤：