《BiFeO3基多鐵性納米陶瓷的製備及物性研究》是依託濟南大學，由姜慶輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：BiFeO3基多鐵性納米陶瓷的製備及物性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：姜慶輝
- 依託單位：濟南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目以鐵酸鉍（BiFeO3）體系為研究對象，使用軟化學法（如溶膠-凝膠法、溶劑熱法）製備高質量的納米粉體，通過適當的元素摻雜（如La、Tb、Nd等）改善BiFeO3的燒結性能，結合放電等離子燒結、熱壓燒結等特種燒結技術，抑制燒結過程中的晶粒長大，製備多鐵性BiFeO3基納米陶瓷，使其具有良好的鐵磁、鐵電性，在納米尺度上研究磁、電等特性及其耦合機理，揭示多鐵性材料在不同晶粒尺度下的磁、電及其耦合的變化規律，探索燒結機理對物理性能的影響程度。本項目研究預期在理論上深入理解多鐵性納米陶瓷的磁-電物理效應及多場耦合機制，探索納米結構多鐵性陶瓷實現的途徑，為新型多鐵性陶瓷材料的研製和開發提供新的思路。
結題摘要
多鐵性材料具有鐵電鐵磁兩種有序，在繼承兩者優點同時提高了材料器件設計的自由度；多鐵性材料由於鐵磁、鐵電的自旋-晶格耦合而具有豐富的物理內涵。本項目使用溶膠凝膠法、水熱法製備前驅粉體，放電等離子燒結技術（SPS）控制晶粒生長，製備不同粒徑的BFO基納米陶瓷和PZT/NiFe2O4復相納米陶瓷，探討納米塊體的磁、電性能對晶粒尺寸的依賴性。通過最佳化反應時間、溫度和礦化劑可以水熱法製備單相BFO基粉體。但SPS燒結會析出第二相，導致介電性能不佳，且無法製備納米陶瓷。溶膠凝膠法製備單相BFO陶瓷粉體，SPS包埋燒結抑制鐵離子還原，可製備低損耗的BFO陶瓷。Ba元素摻雜增強鐵磁性，弱化鐵電性；Ca元素摻雜具有相反趨勢；La和Tb共摻使BFO陶瓷具有較好的鐵電鐵磁性。通過最佳化絡合劑種類和反應溫度，500℃左右得到納米BFO基粉體。因BFO燒結視窗狹窄、晶粒生長迅速，700℃SPS燒結陶瓷出現晶粒異常；通過高能球磨法在納米粉體晶粒表面引入ZrO2相，有效抑制其晶粒生長，800℃燒結可得到50nmBFO陶瓷。在此基礎上研究不同粒徑BFO陶瓷的尺寸效應：介電常數隨晶粒尺寸降低而降低。因納米尺度下鐵磁自旋的湮滅,鐵磁相變點降低；晶粒和晶界熱膨脹係數不同以及SPS的快速冷卻導致室溫下晶粒存在拉應力，誘導四方三方相變隨晶粒尺寸降低（680℃降低到655℃）；鐵電順電相變保持在832℃，意味著BFO單疇單晶粒的臨界尺寸遠低於50nm。鐵電矯頑場隨晶粒尺寸降低而升高，在15kV/mm電場下未觀察到電疇的反轉，因而無法觀測到納米陶瓷的磁電耦合性質。使用原位反應法和高能球磨法製備PZT/NiFe2O4納米復相陶瓷。前者可實現兩相均勻分散，卻無法控制晶粒生長；雖可提高微米尺度下的磁電耦合係數，但不能得到納米復相陶瓷。高能球磨有效破壞兩者的團聚，實現兩相均勻分散，SPS抑制復相陶瓷燒結過程中的晶界擴散和晶粒長大，通過最佳化燒結參數，最終晶粒尺寸控制在50nm左右。納米復相陶瓷具有典型的電滯回線，且在3 kV/mm的外加電場下可以引發電疇的反轉，8kV/mm的外加電場下自發極化強度為0.08C/m2；納米復相陶瓷的磁電耦合係數從數十mV/cmOe降低到數mV/cmOe；不過在100Oe的外加直流磁場下，發現納米復相陶瓷具有本徵的1mV/cmOe的磁電耦合係數。
