一種高介電性能的Eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料及其製備方法與流程
2023-10-05 12:03:34 2
本發明屬於材料技術領域，具體涉及一種高介電性能的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料及其製備方法。
背景技術：
近年來，無鉛壓鐵電材料除了研究提高壓鐵電性能以期替代含鉛材料外，還在儲能、應變、電卡、熱電、光電、發光等方面發現新的功能特性，使其受到越來越多的關注。隨著材料設計理論的發展和製備技術的創新，無機電子信息材料需向著高效能、高可靠、智能化和功能集成化方向發展，期待在同一種壓鐵電材料中實現多個功能響應，使其成為新型智能化材料是該領域的研究熱點。
目前，鎢青銅結構材料研究主要集中在兩個方面，分別是鹼土稀土金屬鈮酸鹽和鹼土金屬鈮酸鹽。前者主要集中於研究其低溫的介電異常和弛豫行為，但是其介電性能偏低，限制其應用；後者主要研究通過調節鎢青銅結構不同的間隙填空情況，使結構從未充滿向充滿型轉變，以期提高介電和鐵電性能。其中以充滿型sr2-xcaxnanb5o15體系研究較多且最具有代表性。r.r.neurgaonkar等人報導，在sr2-xcaxnanb5o15單晶體系中，當x＝0.10時其壓電常數d33可達270pc/n。發明人所在的研究小組採用傳統固相法研究了(sr0.925ca0.075)2.5-0.5xnaxnb5o15體系，通過調節na的含量使鎢青銅結構從未充滿型向充滿型轉變，結果發現隨著填充程度的增大，其電學性能也隨之增大，但是當x＝1.0時，雖然結構處於充滿型，但會生成第二相，惡化其電學性能。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於提供一種具有高介電性能且同時具有發光性能的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料，並為該陶瓷材料提供一種製備方法。
解決上述技術問題所採用的陶瓷材料的通式為sr1.90ca0.15na0.90-3xeuxnb5o15，其中x的取值為0.02～0.06，優選x的取值為0.05，該陶瓷材料為鎢青銅結構。
本發明eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料的製備方法由下述步驟組成：
1、按照sr1.90ca0.15na0.90-3xeuxnb5o15的化學計量比分別稱取純度為99.00％以上的na2co3、srco3、nb2o5、caco3、eu2o3，充分混合球磨16～24小時，在80～100℃下乾燥12～24小時，得到原料混合物。
2、將原料混合物在1180～1250℃下預燒5～8小時，得到預燒粉。
3、將預燒粉經造粒、壓片、排膠後，在1300～1380℃下燒結3～6小時，得到eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料。
上述步驟2中，優選將原料混合物在1200℃下預燒6小時。
上述步驟3中，優選將預燒粉經造粒、壓片、排膠後，在1320℃下燒結4小時。
本發明通過在sr1.90ca0.15na0.90nb5o15體系中摻入eu3+，使所得陶瓷材料具有優異的介電、鐵電性能，同時還具有良好的紅色發光性能，實現了多功能響應的耦合。
附圖說明
圖1是對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料及實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料的xrd圖。
圖2是實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料的發射光譜圖。
圖3是對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料在不同測試頻率下的介電溫鐠圖。
圖4是實施例1製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料在不同測試頻率下的介電溫鐠圖。
圖5是實施例2製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料在不同測試頻率下的介電溫鐠圖。
圖6是實施例3製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料在不同測試頻率下的介電溫鐠圖。
圖7是實施例4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料在不同測試頻率下的介電溫鐠圖。
圖8是對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料及實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料在10khz下居裡溫度和最大介電常數的對比圖。
圖9是對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料及實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料的陶瓷材料的電滯回線。
圖10是對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料及實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料的剩餘極化強度和矯頑場對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明的保護範圍不僅限於這些實施例。
實施例1
1、按照sr1.90ca0.15na0.84eu0.02nb5o15的化學計量分別稱取純度為99.80％的na2co30.8822g、純度為99.00％的srco35.6038g、純度為99.99％的nb2o513.1445g、純度為99.00％的caco30.3000g、純度為99.99％的eu2o30.0696g，裝入尼龍罐中，以鋯球為磨球、無水乙醇為球磨介質，用球磨機充分混合球磨24小時，置於乾燥箱內在80℃下乾燥15小時，用研缽研磨30分鐘，得到原料混合物。
2、將原料混合物置於氧化鋁坩堝內，用瑪瑙棒壓實，使其壓實密度為1.5g/cm3，加蓋，置於電阻爐內，以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1200℃預燒6小時，自然冷卻至室溫，用研缽研磨10分鐘，得到預燒粉。
3、向預燒粉中加入質量分數為5％的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液的加入量為預燒粉質量的50％，造粒，過120目篩，製成球狀粉粒，將球狀粉粒放入直徑為15mm的不鏽鋼模具內，用粉末壓片機在300mpa的壓力下將其壓製成厚度為1.5mm的圓柱狀坯件；將圓柱狀坯件放在氧化鋯平板上，將氧化鋯平板置於氧化鋁密閉匣缽中，先升溫至500℃，保溫2小時排膠，冷卻至室溫；然後以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1320℃，燒結4小時，隨爐自然冷卻至室溫，得到eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料。
實施例2
本實施例的步驟1中，按照sr1.90ca0.15na0.81eu0.03nb5o15的化學計量分別稱取純度為99.80％的na2co30.8506g、純度為99.00％的srco35.6028g、純度為99.99％的nb2o513.1423g、純度為99.00％的caco30.2999g、純度為99.99％的eu2o30.1044g，其他步驟與實施例1相同，得到eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料。
實施例3
本實施例的步驟1中，按照sr1.90ca0.15na0.75eu0.05nb5o15的化學計量分別稱取純度為99.80％的na2co30.7873g、純度為99.00％的srco35.6010g、純度為99.99％的nb2o513.1380g、純度為99.00％的caco30.2998g、純度為99.99％的eu2o30.1739g，其他步驟與實施例1相同，得到eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料。
實施例4
本實施例的步驟1中，按照sr1.90ca0.15na0.72eu0.06nb5o15的化學計量分別稱取純度為99.80％的na2co30.7557g、純度為99.00％的srco35.6001g、純度為99.99％的nb2o513.1358g、純度為99.00％的caco30.2997g、純度為99.99％的eu2o30.2087g，其他步驟與實施例1相同，得到eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料。
對比例1
按照sr1.90ca0.15na0.90nb5o15的化學計量分別稱取純度為99.80％的na2co30.9455g、純度為99.00％的srco35.6056g、純度為99.99％的nb2o513.1488g、純度為99.00％的caco30.3000g，其他步驟與實施例1相同，得到鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料。
上述實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料以及對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料分別採用d/max-2200x型射線衍射儀(由日本理學公司生產)進行xrd測試、採用f-4600型螢光分光光度計進行螢光性能激發光譜和發射光譜測試，結果見圖1和圖2。由圖1可見，實施例1～4以及對比例1製備的陶瓷材料均為純的四方鎢青銅相。由圖2可見，實施例1～4製備的陶瓷材料在395nm的紫外光激發下能夠在617nm處具有較強的紅光發射。
將上述實施例1～4製備的eu3+摻雜鈮酸鍶鈣鈉發光鐵電陶瓷材料以及對比例1製備的鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料表面依次用320目、800目、1500目的砂紙拋光至0.5～0.6mm厚，然後在陶瓷上下表面塗覆厚度為0.02mm的銀漿，置於電阻爐中840℃保溫30分鐘。採用hioki3532-50和agilient4980a型精密阻抗分析儀(由安捷倫科技有限公司生產)對燒銀後的陶瓷材料進行介電鐵電性能測試，結果見圖3～10。由圖3～10可見，對比例1中未摻雜eu3+的陶瓷材料，其最大介電常數僅為1050、室溫介電常數為1640、剩餘極化強度為5.7μc/cm2，而本發明通過在鈮酸鍶鈣鈉鐵電陶瓷材料中摻雜eu3+，不但使陶瓷材料具有了發光性能，同時還顯著提高了陶瓷材料的介電性能，實現了介電鐵電和發光的耦合，進一步實現了多功能化集成材料，其中eu3+的摻雜量為0.05時，陶瓷材料的電學性能最佳，其最大介電常數達到1270、居裡溫度為263℃、室溫介電常數達到1700、剩餘極化強度為6.6μc/cm2。