[发明专利]一种Zn+Ta共掺杂TiO2

说明书

本发明涉及介电陶瓷制备技术领域，具体涉及一种Zn+Ta共掺杂TiO₂基巨介电陶瓷、制备方法及其应用，采用闪烧法制备组成为(Zn_1/3Ta_2/3)_0.05Ti_0.95O₂(ZTTO)的TiO₂基巨介电陶瓷，利用XRD、SEM和XPS对Zn+Ta共掺杂TiO₂基巨介电陶瓷的微观结构、电学性能、快速致密化理论和巨介常数来源进行了综合研究，在不同电场强度下，焦耳热和高加热速率实现样品快速致密，细化了材料的微观结构，优化了材料的介电性能，当电场为200V/cm时，获得了巨介电常数(ε′～1.32×10⁴)和较低的介电损耗(tanδ～0.27)，炉温降低了25％，烧结时间缩短了90％以上，巨介电常数可能源于电子钉扎缺陷偶极子极化和麦克斯韦‑瓦格纳弛豫型界面极化，这为TiO₂基巨介电陶瓷的制备开辟了途径。

技术领域

本发明涉及介电陶瓷制备技术领域，具体涉及一种Zn+Ta共掺杂TiO₂基巨介电陶瓷、制备方法及其应用。

背景技术

闪烧已成为陶瓷材料领域环保烧结技术的典型代表。与其他烧结技术相比，闪烧充分发挥外加电场作用下，电流通过陶瓷样品实现快速致密化的优势，可以显著降低烧结温度，缩短烧结时间。现有技术通过焦耳热理论解释了由于材料内阻引起的闪烧现象，随后，闪烧的机理成为研究热点，闪烧的理论模型有多种，如晶界局部热效应、弗兰克尔缺陷效应和电化学反应等。同时，闪烧技术的应用领域逐渐拓宽，各种体系材料如半导体(ZnO)、绝缘体(Al₂O₃)、离子导体(3YSZ)、类金属导电陶瓷(Co₂MnO₄)等，已在低温短时间条件下成功制备。因此，闪烧是一种低温、高效、节能、环保的烧结技术，具有广阔的发展前景。

虽然闪烧技术已经取得了快速的发展和广泛的应用，但仍有一些问题需要深入研究。首先，由于材料成分、样品形状、闪烧装置等因素的影响，闪烧的加热温度、电场强度和限制电流之间的内在规律尚不清楚，需要深入研究；其次，需要加强闪烧工艺对材料微观结构和性能调控的研究。最后，闪烧的机理仍然存在争议，没有统一的理论能够完全解释闪烧的完整现象。值得注意的是，电场强度是闪烧过程中一个非常重要的参数，它决定了闪烧的临界温度和样品中的电流密度，进而影响样品的微观结构和性能。然而，在现有文献中，外加电场强度仅作为影响闪烧初始温度的一个因素进行了研究，但很少有关于对材料内部结构和性能影响的报道。因此，分析电场强度与其它闪烧参数的关系，研究材料微观结构和性能的变化，对完善闪烧理论具有重要意义。

与传统固相烧结的高烧结温度(1300-1500℃)和长保温时间(4-10h)相比，闪烧技术可以实现TiO₂基陶瓷低温高效制备的优势。同时现有报道表明共掺杂TiO₂陶瓷具有高介电常数(＞10⁴)和低介电损耗(＜0.05)，并且具有显著的频率和温度稳定性，表现出优异的巨介电性能。为了获得优异的介电性能，采用传统的固相反应烧结合成了多种施主杂质(Nb、Ta、Sb)和受主杂质(In、La)共掺杂TiO₂巨介电陶瓷。但是，这些研究的成果很难重复(In，Nb)共掺杂TiO₂陶瓷那样优异的巨介电性能。采用闪烧技术合成共掺杂TiO₂巨介电陶瓷，在低温短时烧结条件下可以细化晶粒尺寸，获得均匀的组织结构，提高材料的致密度。

目前，利用闪烧技术制备纯TiO₂方面已经取得了一些成果，但仅关注闪烧参数规律和机理，但还没有通过闪烧制备共掺杂TiO₂陶瓷的报道。事实上，掺杂成分对闪烧工艺和巨介电性能有很大影响。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容