專利名稱：具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于ー種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及ー種具有磁介電耦合效應(yīng)的無鉛多鐵性顆粒復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)歩，對器件的小型化、集成化的要求越來越高，因此發(fā)展具有兩種或兩種以上功能的新材料具有重要的價值。多鐵材料由于同時具有磁性和電性并相互耦合，在傳感器或換能器制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用而備受重視。磁介電效應(yīng)與電子鐵電性及磁電效應(yīng)ー樣，是多鐵性材料的重要物理特性。磁介電效應(yīng)MDE (Magneto-dielectricEffect)定義是多鐵性材料在居里溫度(鐵磁相變點(diǎn))附近產(chǎn)生介電常數(shù)的突變，或者在居 里溫度以下產(chǎn)生隨磁場變化的介電常數(shù)改變。磁介電效應(yīng)的表征公式為MDE (%) = [ ε (H) - ε (O) ] / ε (O) X 100%ε (H)和ε (O)分別為有磁場和無磁場時的介電常數(shù)。磁介電材料由于涉及磁學(xué)和電學(xué)及兩者的交叉，對實(shí)驗(yàn)和理論研究都提出了一系列新的問題。近幾年磁介電材料引起了國內(nèi)外專家的極大關(guān)注。目前多鐵材料主要分為單相化合物多鐵材料和復(fù)相混合物多鐵材料，由于具有本征單相多鐵化合物比較稀少且其居里溫度低，近年來復(fù)相多鐵材料引起了廣泛關(guān)注。第一個復(fù)合材料體系BaTiO3-CoFe2O4在20世紀(jì)70年代被報(bào)道，其后，一系列BaTiO3' Pb (Zr0.5Ti0.5) O3系復(fù)合材料體系相繼被研究。如ArifD Sheikh等人制備的O. 15NF0-0. 85PMN-PT復(fù)合材料具有4. 54%的磁介電效應(yīng)(In “Effect of thepiezomagnetic NiFe2O7l phase on the piezoelectric Pb (Mg1/3Nbo/3ノ 0.67Ti0.330, phase inmagnetoelectric composites”, Smart Mater. Struct. , 2009, 18:065014);S. Y. Tan 等人獲得了 (λ 5MgFe204-0. 5BaTi03體系在7K0e磁場下的磁介電效應(yīng)為O. 466%(In “Synthesisand characterization of composite MgFeoO4-BaiiO3 multiferroic system，，，J. Appl.Phys. ,2008, 103:094105) 0但是這些材料體系大多含有有毒物質(zhì)，對環(huán)境污染嚴(yán)重。開發(fā)無鉛無毒的新復(fù)合材料體系具有重要的意義。鈮酸鈉(NaNbO3)基壓電材料室溫下展示出高自發(fā)極化、高介電常數(shù)和高壓電系數(shù)。此外，尖晶石結(jié)構(gòu)鐵酸鎳(NiFe2O4)材料因具有高的電阻率和高的壓磁系數(shù)被廣泛應(yīng)用于多鐵性復(fù)合材料體系的開發(fā)中。本發(fā)明所涉及的多鐵性復(fù)合陶瓷材料是首次提出，目前國內(nèi)外未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種具有良好的電學(xué)性能、磁性能及磁介電效應(yīng)的無鉛、無毒的新型多鐵性復(fù)合材料體系及其制備方法。本發(fā)明以Na2C03、Nb205、Ni0和Fe2O3為原料，采用固相法制備具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
ー種具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其化學(xué)式為NaNbO3-NiFe2O4,摩爾比為 I: I ;該復(fù)合陶瓷材料的制備方法，具有如下步驟(I)將 Na2CO3 和 Nb205、Ni0 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4,摩爾比為 I: I進(jìn)行配料；以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1. 5的比例加置于聚酯罐中，球磨Γ24小時；(2)將步驟(I)球磨后的原料于干燥箱中100 120°C烘干，過40目篩；(3 )將步驟(2 )烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900 1150°C預(yù)燒，保溫2 8小時；(4)將步驟(3)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分比為8% 10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造 粒，過80目篩，用粉末壓片機(jī)壓制生坯；(5)將步驟(4)的生坯于1100°C 1200°C燒結(jié)，保溫2 8小時，制得多鐵性復(fù)合陶瓷材料。所述步驟(I)的球磨采用行星式球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。所述步驟(4)的粉末壓片機(jī)的壓カ為4 8MPa。所述步驟(4)采用的燒結(jié)溫度為1150°C。所述步驟(5)的保溫時間為4小吋。本發(fā)明的復(fù)合多鐵材料具有均勻性好、粗糙度小、無微裂紋，性能穩(wěn)定，且具有良好的電學(xué)性能、磁性能及磁介電效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，燒結(jié)溫度為110(Tl20(rC，lGHZ下磁導(dǎo)率為Γ2 (IMHz)，介電常數(shù)為48 52 (1MHz)，磁介電效系數(shù)為8 12% (1MHz, 3000Gauss)o可用于制造集成的多功能磁/電器件，制備エ藝簡單，無毒，污染小，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以Na2CO3 (分析純)，Nb2O5 (分析純)，NiO (分析純)，F(xiàn)e2O3 (分析純)為初始原料，通過固相法制備具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合材料，具體實(shí)施例如下實(shí)施例I(I)將Na2CO3和 Nb205、Ni0和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中，在行星式球磨機(jī)上球磨4小時,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)將球磨后的原料置于干燥箱中，于120°C烘干，然后過40目篩；(3)將烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900°C預(yù)燒，保溫4小時；(4)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分含量為8%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm,厚度為5_的生還；(5)將生坯在1100°C燒結(jié)，保溫4小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得制品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例2
(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1. 5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨12小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)將球磨后的原料置于干燥箱中，于100°C烘干，然后過40目篩；(3)將烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于1150°C預(yù)燒，保溫4小時；(4)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分含量為8%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm,厚度為5_的生還；(5)將生坯在1100°C燒結(jié)，保溫8小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得 樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例3(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1. 5的比例加入聚酯罐中，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中，于120°C烘干，而后過40目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于1100°C預(yù)燒，保溫6小時；(4)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分含量為8%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm,厚度為5_的生還；(5)將生坯在1125°C燒結(jié)，保溫4小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例4(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨4小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中，于110°C烘干，而后過40目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于1100°C預(yù)燒，保溫4小時；(4)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分含量為9%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm，厚度為約5mm的生坯；(5)將生坯在1150°C燒結(jié)，保溫6小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例5
(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨6小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后過80目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900°C預(yù)燒，保溫4小時；(4)預(yù)燒后的粉料加入質(zhì)量百分含量為10%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm，厚度為約5mm的生坯；(5)將生坯在1175°C燒結(jié)，保溫6小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得 樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例6(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨6小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后過80目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900°C預(yù)燒，保溫6小時；(4)預(yù)燒后的粉料加入質(zhì)量百分含量為10%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm，厚度為約5mm的生坯；(5)將生坯在1200°C燒結(jié)，保溫4小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例7(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨6小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后過80目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900°C預(yù)燒，保溫4小時；(4)預(yù)燒后的粉料加入質(zhì)量百分含量為10%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm，厚度為約5mm的生坯；(5)將生坯在1200°C燒結(jié)，保溫6小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。實(shí)施例8
(I)將 Na2CO3 和 Nb205、NiO 和 Fe2O3 按化學(xué)計(jì)量式 NaNbO3 和 NiFe2O4 進(jìn)行配料，NaNbO3和NiFe2O4的摩爾比為1:1，將14g的混合粉料放入聚酯罐中，以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1.5的比例加入聚酯罐中,在行星式球磨機(jī)上球磨6小時；轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分；(2)球磨后的原料置于干燥箱中于120°C烘干，而后過80目篩；(3)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于900°C預(yù)燒，保溫8小時；(4)預(yù)燒后的粉料加入質(zhì)量百分含量為10%的石蠟粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩后，用粉末壓片機(jī)在4MPa的壓カ下將粉末壓成直徑為20mm，厚度為約5mm的生坯；
(5)將生坯在1200°C燒結(jié)，保溫8小時，制得具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料。將制品通過安捷倫E4991阻抗分析儀、4285LCR分析儀及相關(guān)測試夾具測試所得樣品的介電性能，磁性能及磁介電效應(yīng)，具體測試結(jié)果詳見表I。表I
權(quán)利要求
1.一種具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其化學(xué)式為NaNbO3-NiFe2O4,摩爾比為1:1。
該復(fù)合陶瓷材料的制備方法，具有如下步驟 (1)將Na2CO3和Nb205、Ni0和Fe2O3按化學(xué)計(jì)量式NaNbO3和NiFe2O4,摩爾比為I:I進(jìn)行配料；以料去離子水鋯球的質(zhì)量比為1:1:1. 5的比例加置于聚酯罐中，球磨4 24小時； (2)將步驟(I)球磨后的原料于干燥箱中10(Γ120 烘干，過40目篩； (3)將步驟(2)烘干、過篩后的粉料放入中溫爐，于90(Tll5(rC預(yù)燒，保溫21小時； (4)將步驟(3)預(yù)燒后的粉料外加質(zhì)量百分比為8% 10%的石蠟作為粘合劑進(jìn)行造粒，過80目篩，用粉末壓片機(jī)壓制生坯； (5)將步驟(4)的生坯于1100°C 1200°C燒結(jié)，保溫2 8小時，制得多鐵性復(fù)合陶瓷材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其特征在于，所述步驟(O的球磨采用行星式球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其特征在于，所述步驟(4)的粉末壓片機(jī)的壓力為4 8MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其特征在于，所述步驟(4)采用的燒結(jié)溫度為1150°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其特征在于，所述步驟(5)的保溫時間為4小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有磁介電效應(yīng)的多鐵性復(fù)合陶瓷材料，其化學(xué)式為NaNbO3-NiFe2O4，摩爾比為1:1；以Na2CO3、Nb2O5、NiO和Fe2O3為原料，采用固相法，經(jīng)配料、球磨、于900~1150℃予燒，再經(jīng)壓制成型，于1100℃~1200℃燒結(jié)。本發(fā)明具有均勻性好、粗糙度小、無微裂紋，性能穩(wěn)定，且具有良好的電學(xué)性能、磁性能及磁介電效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造集成的多功能磁/電器件，且制備工藝簡單，無毒，污染小，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號C04B35/26GK102826842SQ201210349938
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者李玲霞, 韓葉梅, 夏往所, 任翔 申請人:天津大學(xué)