專利名稱：YMnO₃電介質(zhì)陶瓷的制備工藝及YMnO₃電介質(zhì)陶瓷電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電介質(zhì)陶瓷的制作方法及其應用，具體的說是一種YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝及YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器。
背景技術：
多鐵性材料不但具備各種單一的鐵性(如鐵電性、鐵磁性和鐵彈性)，而且還可以通過鐵性的耦合協(xié)同作用產(chǎn)生一些新的功能，大大拓寬了多鐵性材料的應用范圍，從而受到廣泛關注。(M. Fiebig et al, Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 5620; Joonghoe D etal，Appl. Phys. Lett. 2005，87，252504; F. Schrettle et al, Phys. Rev. Lett.2009，102，207208)六方稀土錳氧化物是一種集鐵電性與反鐵磁性于一體的單相多鐵性材料(鐵電磁體)，其制備方法及物理性質(zhì)的研究是近年來材料物理領域中受到廣泛關注 的熱點問題之一。在鈣鈦礦氧化物中，YMnO3在低溫下同時存在鐵電有序性和反鐵磁有序性，其獨特的性能近年來逐漸走進人們的視野。YMnO3作為一種電介質(zhì)陶瓷材料，由于具備特殊的鐵磁性、鐵電性而引起了研究人員的普遍關注，然而，對于YMnO3陶瓷的性能的研究雖然比較普遍，但其制備工藝相對滯后，且對其制備工藝的研究偏少。傳統(tǒng)的YMnO3陶瓷制備工藝大都采用固相反應原理加以拓展實施，然而，基于此原理制備高致密性陶瓷往往需要較高的燒結溫度和較長的燒結時間，由于原子需要做長程遷移運動，反應不能進行徹底，會導致多相、雜相的產(chǎn)生，且制備周期長，制備工藝繁復，難以實施。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述傳統(tǒng)YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備過程存在的各種問題，本發(fā)明提供一種弛豫的、高介電性的、無鉛的YMnO3電介質(zhì)陶瓷的新型制備工藝及YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器，該工藝簡單易行，制作成本低廉，本工藝所制的YMnO3陶瓷成品純度高，顆粒團聚程度低，且其在低溫下介電損耗低。本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案為YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，包括如下步驟
步驟一、按I: I的摩爾比稱取純度為99. 99%的Y (NO3) 3 · 6H20和純度為99. 5%的Mn(CH3COO)2 ·4Η20混合放入容器，加入去離子水,然后通過磁力攪拌機使其充分溶解并攪拌均勻后，將溶液濃度調(diào)至O. 2mol/L,繼續(xù)攪拌4h后，備用；
步驟二、向步驟一所得溶液中加入與溶液金屬離子總量等摩爾量的純度為99%的C6H8O7 -H2O,并用氨水將溶液PH值調(diào)至5-6，攪拌24h后，將溶液通過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體，將所得塊狀固體研磨成粉狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫3h，之后自然冷卻至室溫并取出所得粉末，并加入粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，制得混合粉料備用；
步驟三、將步驟二所得混合粉料在瑪瑙研缽中研磨3h后，裝入氧化鋁坩堝中，加熱升溫至900°C后保溫，恒溫進行預燒，預燒時間為6h，之后冷卻至室溫，將所得粉末放入瑪瑙球磨罐中研磨3h，之后裝入氧化鋁坩堝以相同條件進行二次預燒，待其自然冷卻后所得粉末備用；
步驟四、將步驟三所得粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質(zhì)量分數(shù)為10%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質(zhì)量的5%，研磨2h，然后將所得粉末放入鼓風干燥箱中在80°C溫度下烘干5-6h，將烘干后的粉末過120目篩后備用；
步驟五、將步驟四所得粉末在40 MPa壓強下壓制成型，然后放入氧化鋁坩堝中在空氣中燒結，升溫速率為5°C /min,待溫度升至500°C，保溫排塑3h，然后繼續(xù)升溫至1100 V，保溫15h后，以2V /min的速率降溫降至950°C，停止加熱，自然冷卻至室溫，即制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷。所述Y(NO3) 3 · 6H20、Mn (CH3COO)2 · 4H20、C6H8O7 · H20、二氧化硅的純度為分析純。所述步驟四所得粉末在壓制成型后放入氧化鋁坩堝中燒結前，氧化鋁坩堝中加有 墊料。所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷具有金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構，其中間層絕緣體為YMnO3電介質(zhì)陶瓷,兩側(cè)的金屬層為鉬電極。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷兩側(cè)的鉬電極為磁控濺射儀在其上下表面濺射而得。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷在濺射鉬電極之前，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗。有益效果
1.本發(fā)明易于實施，由于降低了燒結溫度，使得該工藝制作成本低廉，使的YMnO3電介質(zhì)陶瓷制備的批量化生產(chǎn)成為可能；
2.本發(fā)明所得YMnO3電介質(zhì)陶瓷成品純度高，顆粒分布窄，顆粒團聚程度低，品相好，綜合性能優(yōu)良；


圖I是經(jīng)850 0C預燒后的YMnO3粉末的X射線衍射圖譜；
圖2是經(jīng)900 1預燒后的YMnO3粉末的X射線衍射圖譜；
圖3是燒結溫度為1000 °C時制得YMnO3陶瓷成品的掃描電鏡圖(SEM)；
圖4是燒結溫度為1100 °C時制得YMnO3陶瓷成品的掃描電鏡圖(SEM)；
圖5是燒結溫度為1100°C、未加入氧化硅時制得YMnO3陶瓷成品在不同頻率下介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律；
圖6是燒結溫度為1100°C、加入氧化硅后制得YMnO3陶瓷成品在不同頻率下介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律；
圖7是燒結溫度為1100°C、未加入氧化硅的YMnO3陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的變化；
圖8是燒結溫度為1100°C、加入氧化硅的YMnO3陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的變化。
具體實施方式
下面具體闡述本發(fā)明的
具體實施例方式YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，包括如下步驟
步驟一、按I: I的摩爾比稱取純度為99. 99%的Y (NO3) 3 · 6H20和純度為99. 5%的Mn(CH3COO)2 ·4Η20混合放入容器，加入去離子水,然后通過磁力攪拌機使其充分溶解并攪拌均勻后，將溶液濃度調(diào)至O. 2mol/L,繼續(xù)攪拌4h后，備用； 步驟二、向步驟一所得溶液中加入與溶液金屬離子總量等摩爾量的純度為99%的C6H8O7 -H2O,并用氨水將溶液PH值調(diào)至5-6，攪拌24h后，將溶液通過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體，將所得塊狀固體研磨成粉狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫3h，之后自然冷卻至室溫并取出所得粉末，并加入粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，制得混合粉料備用；
步驟三、將步驟二所得混合粉料在瑪瑙研缽中研磨3h后，裝入氧化鋁坩堝中，加熱升溫至900°C后保溫，恒溫進行預燒，預燒時間為6h，之后冷卻至室溫，將所得粉末放入瑪瑙球磨罐中研磨3h，之后裝入氧化鋁坩堝以相同條件進行二次預燒，待其自然冷卻后所得粉末備用；
步驟四、將步驟三所得粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質(zhì)量分數(shù)為10%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質(zhì)量的5%，研磨2h，然后將所得粉末放入鼓風干燥箱中在80°C溫度下烘干5-6h，將烘干后的粉末過120目篩后備用；
步驟五、將步驟四所得粉末在40 MPa壓強下壓制成型，然后放入氧化鋁坩堝中在空氣中燒結，升溫速率為5°C /min,待溫度升至500°C，保溫排塑3h，然后繼續(xù)升溫至1100 V，保溫15h后，以2V /min的速率降溫降至950°C，停止加熱，自然冷卻至室溫，即制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷。所述Y(NO3)3 · 6H20、Mn(CH3COO)2 · 4H20、C6H8O7 · H20、二氧化硅的純度為分析純。所述步驟四所得粉末在壓制成型后放入氧化鋁坩堝中燒結前，氧化鋁坩堝中加有墊料。所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷具有金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構，其中間層絕緣體為YMnO3電介質(zhì)陶瓷,兩側(cè)的金屬層為鉬電極。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷兩側(cè)的鉬電極為磁控濺射儀在其上下表面濺射而得。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷在濺射鉬電極之前，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗。Y(NO3)3 ·6Η20與Mn (CH3COO)2 ·4Η20按1:1的摩爾比配比，可以滿足溶液中有等摩爾量的釔離子與錳離子；步驟二中，經(jīng)過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體初步研磨后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫，保溫3h后停止加熱，冷卻至室溫后取出，加入相當于粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，此處二氧化硅的加入能夠改變制得的YMnO3電介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)，如圖5、6所示，在燒結溫度為1100°C、未加入微量氧化硅時制得YMnO3陶瓷成品在不同頻率下介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與燒結溫度為1100°C、加入微量氧化硅時制得YMnO3陶瓷成品在不同頻率下介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律相比，其介電常數(shù)的變化規(guī)律明顯改變；如圖7、8所示，在燒結溫度為1100°C、未加入微量氧化硅的YMnO3陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的變化與在燒結溫度為1100°C、加入微氧化物的YMnO3陶瓷在不同頻率下介電損耗隨溫度的變化相對比，能夠明顯看出，加入微量氧化硅能夠使得YMnO3電介質(zhì)陶瓷的介電損耗明顯降低?？梢姡趸薜募尤雰?yōu)化了 YMnO3電介質(zhì)陶瓷的綜合介電性能。步驟三中的預燒溫度為900°C，預燒溫度過高時會使得粉末顆粒過大，從而會使后續(xù)壓坯困難；而預燒溫度過低時易出現(xiàn)雜相，如圖I所示850°c下預燒YMnO3粉末的X射線衍射圖譜，850°C下預燒后有雜相存在；預燒溫度為900°C時，如圖2所示900 V預燒YMnO3粉末的X射線衍射圖譜，能較好的去除雜相。陶瓷材料在制作過程中，其燒結溫度不可過高，燒結溫度過高時會使得燒出的成品變形，且會造成能源浪費，燒結溫度過低時，所得成品致密性差；步驟五中，材料的最佳燒結溫度為1100 °C，如圖3燒結溫度為1000 °C時制得YMnO3陶瓷成品的掃描電鏡圖(SEM)，可看出所得YMnO3陶瓷致密性較差，圖4燒結溫度為1100 °C時制得YMnO3陶瓷成品的掃描電鏡圖(SEM)中可以看出燒結溫度為1100°C時其均勻性、致密性較佳。 所述YMnO3電介質(zhì)陶電容器，用上述YMnO3電介質(zhì)陶制作工藝制得板狀YMnO3電介質(zhì)陶瓷，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗，清洗完晾干后用磁控濺射儀在其上下表面濺射鉬電極，形成金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構；所述金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構即電容器電極之間添加絕緣體作為電介質(zhì)，此處鉬電極為磁控濺射儀濺射到YMnO3電介質(zhì)陶瓷上，但其結構本質(zhì)上符合金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構。實施例一、
YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，包括如下步驟
步驟一、按I: I的摩爾比稱取純度為99. 99%的Y (NO3) 3 · 6H20和純度為99. 5%的Mn(CH3COO)2 ·4Η20混合放入容器，加入去離子水,然后通過磁力攪拌機使其充分溶解并攪拌均勻后，將溶液濃度調(diào)至O. 2mol/L,繼續(xù)攪拌4h后，備用；
步驟二、向步驟一所得溶液中加入與溶液金屬離子總量等摩爾量的純度為99%的C6H8O7 -H2O,并用氨水將溶液PH值調(diào)至5，攪拌24h后，將溶液通過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體，將所得塊狀固體研磨成粉狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫3h，之后自然冷卻至室溫并取出所得粉末，并加入粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，制得混合粉料備用；
步驟三、將步驟二所得混合粉料在瑪瑙研缽中研磨3h后，裝入氧化鋁坩堝中，加熱升溫至900°C后保溫，恒溫進行預燒，預燒時間為6h，之后冷卻至室溫，將所得粉末放入瑪瑙球磨罐中研磨3h，之后裝入氧化鋁坩堝以相同條件進行二次預燒，待其自然冷卻后所得粉末備用；
步驟四、將步驟三所得粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質(zhì)量分數(shù)為10%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質(zhì)量的5%，研磨2h，然后將所得粉末放入鼓風干燥箱中在80°C溫度下烘干5h，將烘干后的粉末過120目篩后備用；
步驟五、將步驟四所得粉末在40 MPa壓強下壓制成型，然后放入氧化鋁坩堝中在空氣中燒結，升溫速率為5°C /min,待溫度升至500°C，保溫排塑3h，然后繼續(xù)升溫至1100 V，保溫15h后，以2V /min的速率降溫降至950°C，停止加熱，自然冷卻至室溫，即制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷。
所述Y(NO3) 3 · 6H20、Mn (CH3COO)2 · 4H20、C6H8O7 · H20、二氧化硅的純度為分析純。所述步驟四所得粉末在壓制成型后放入氧化鋁坩堝中燒結前，氧化鋁坩堝中加有墊料。所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷具有金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構，其中間層絕緣體為YMnO3電介質(zhì)陶瓷,兩側(cè)的金屬層為鉬電極。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷兩側(cè)的鉬電極為磁控濺射儀在其上下表面濺射而得。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷在濺射鉬電極之前，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗。
實施例二、
YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，其特征在于包括如下步驟
步驟一、按I: I的摩爾比稱取純度為99. 99%的Y (NO3) 3 · 6H20和純度為99. 5%的Mn(CH3COO)2 ·4Η20混合放入容器，加入去離子水,然后通過磁力攪拌機使其充分溶解并攪拌均勻后，將溶液濃度調(diào)至O. 2mol/L,繼續(xù)攪拌4h后，備用；
步驟二、向步驟一所得溶液中加入與溶液金屬離子總量等摩爾量的純度為99%的C6H8O7 -H2O,并用氨水將溶液PH值調(diào)至6，攪拌24h后，將溶液通過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體，將所得塊狀固體研磨成粉狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫3h，之后自然冷卻至室溫并取出所得粉末，并加入粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，制得混合粉料備用；
步驟三、將步驟二所得混合粉料在瑪瑙研缽中研磨3h后，裝入氧化鋁坩堝中，加熱升溫至900°C后保溫，恒溫進行預燒，預燒時間為6h，之后冷卻至室溫，將所得粉末放入瑪瑙球磨罐中研磨3h，之后裝入氧化鋁坩堝以相同條件進行二次預燒，待其自然冷卻后所得粉末備用；
步驟四、將步驟三所得粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質(zhì)量分數(shù)為10%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質(zhì)量的5%，研磨2h，然后將所得粉末放入鼓風干燥箱中在80°C溫度下烘干6h，將烘干后的粉末過120目篩后備用；
步驟五、將步驟四所得粉末在40 MPa壓強下壓制成型，然后放入氧化鋁坩堝中在空氣中燒結，升溫速率為5°C /min,待溫度升至500°C，保溫排塑3h，然后繼續(xù)升溫至1100 V，保溫15h后，以2V /min的速率降溫降至950°C，停止加熱，自然冷卻至室溫，即制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷。所述Y(NO3) 3 · 6H20、Mn (CH3COO)2 · 4H20、C6H8O7 · H20、二氧化硅的純度為分析純。所述步驟四所得粉末在壓制成型后放入氧化鋁坩堝中燒結前，氧化鋁坩堝中加有墊料。所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷具有金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構，其中間層絕緣體為YMnO3電介質(zhì)陶瓷,兩側(cè)的金屬層為鉬電極。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷兩側(cè)的鉬電極為磁控濺射儀在其上下表面濺射而得。所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷在濺射鉬電極之前，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗。
權利要求
1.YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，其特征在于包括如下步驟 步驟一、按I: I的摩爾比稱取純度為99. 99%的Y (NO3) 3 · 6H20和純度為99. 5%的Mn(CH3COO)2 ·4Η20混合放入容器，加入去離子水,然后通過磁力攪拌機使其充分溶解并攪拌均勻后，將溶液濃度調(diào)至O. 2mol/L,繼續(xù)攪拌4h后，備用； 步驟二、向步驟一所得溶液中加入與溶液金屬離子總量等摩爾量的純度為99%的C6H8O7 -H2O,并用氨水將溶液PH值調(diào)至5-6，攪拌24h后，將溶液通過120°C油浴蒸發(fā)制得蓬松塊狀固體，將所得塊狀固體研磨成粉狀后放入坩堝，加熱升溫至300°C后保溫3h，之后自然冷卻至室溫并取出所得粉末，并加入粉末重量萬分之一的純度為99. 99%的二氧化硅并攪拌均勻，制得混合粉料備用； 步驟三、將步驟二所得混合粉料在瑪瑙研缽中研磨3h后，裝入氧化鋁坩堝中，加熱升溫至900°C后保溫，恒溫進行預燒，預燒時間為6h，之后冷卻至室溫，將所得粉末放入瑪瑙球磨罐中研磨3h，之后裝入氧化鋁坩堝以相同條件進行二次預燒，待其自然冷卻后所得粉末備用； 步驟四、將步驟三所得粉末倒入瑪瑙研缽中并加入質(zhì)量分數(shù)為10%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的加入量為粉末質(zhì)量的5%，研磨2h，然后將所得粉末放入鼓風干燥箱中在80°C溫度下烘干5-6h，將烘干后的粉末過120目篩后備用； 步驟五、將步驟四所得粉末在40 MPa壓強下壓制成型，然后放入氧化鋁坩堝中在空氣中燒結，升溫速率為5°C /min,待溫度升至500°C，保溫排塑3h，然后繼續(xù)升溫至1100 V，保溫15h后，以2V /min的速率降溫降至950°C，停止加熱，自然冷卻至室溫，即制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷。
2.如權利要求I所述的YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，其特征在于所述Υ(Ν03)3·6Η20、Mn(CH3COO)2 · 4H20、C6H8O7 · Η20、二氧化硅的純度為分析純。
3.如權利要求I所述的YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝，其特征在于所述步驟四所得粉末在壓制成型后放入氧化鋁坩堝中燒結前，氧化鋁坩堝中加有墊料。
4.一種權利要求I所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷制成的YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器，其特征在于所述YMnO3電介質(zhì)陶瓷具有金屬-絕緣體-金屬的平行板狀結構，其中間層絕緣體為YMnO3電介質(zhì)陶瓷,兩側(cè)的金屬層為鉬電極。
5.如權利要求4所述的YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器，其特征在于所述中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷兩側(cè)的鉬電極為磁控濺射儀在其上下表面濺射而得。
6.如權利要求5所述的YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器，其特征在于中間層YMnO3電介質(zhì)陶瓷在濺射鉬電極之前，用金相砂紙對其打磨，并做拋光處理至表面平整、光潔，之后用丙酮溶液進行超聲清洗。
全文摘要
YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備工藝及YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器，本發(fā)明涉及一種陶瓷的制備工藝及其應用；為了解決以往YMnO3電介質(zhì)陶瓷的制備過程存在的過程繁復、成品品相不好等缺陷，本發(fā)明提供一種溶膠-凝膠法，通過配料的混合、溶解，并添加相應的催化劑或絡合劑，經(jīng)干燥、熱解、研磨、預燒、燒制，制得YMnO3電介質(zhì)陶瓷，由所得YMnO3電介質(zhì)陶瓷可制成的YMnO3電介質(zhì)陶瓷電容器以及其它陶瓷制品。
文檔編號C04B35/50GK102910913SQ20121036154
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權日2012年9月26日
發(fā)明者張超, 許玉潔, 李同偉, 康大偉, 李立本 申請人:河南科技大學