纳米铁酸铋陶瓷的放电等离子体烧结制备及性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:leonontop
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铁酸铋(BiFeO3)是为数不多的在室温下同时具有铁电性和铁磁性的多铁性材料,铁电性和铁磁性相互耦合还能产生独特的磁电耦合效应,使得BiFeO3在信息存储,自旋电子器件等方面有广阔的前景。BiFeO3陶瓷通常由传统固相法制备,工艺过程复杂,材料的质量不稳定。本文采用高能球磨对先驱体进行球磨混料,采用放电等离子体烧结(SPS)技术烧结BiFeO3陶瓷,并通过Bi的补偿来提高样品质量。研究了球磨时间对先驱体粒径大小的影响,有效的球磨既能保证颗粒足够小还能防止颗粒团聚,经过对球磨后颗粒的XRD分析和SEM观察确定球磨时间为40h;研究了SPS烧结温度,保温时间和热处理温度对材料性能的影响,通过XRD分析和密度测试结果确定了最优的SPS参数和热处理参数。将SPS制备的BiFeO3样品与传统固相法制备的BiFeO3样品进行性能比较,结果发现,SPS样品的晶粒更小,接近纳米等级,且SPS样品的介电常数值比传统固相法样品的要高两个数量级,而介电损耗更小;通过测量样品的电滞回线发现,SPS样品的饱和极化强度和剩余极化强度较传统烧结样品的大一倍,而矫顽电场强度却小一半;此外,SPS样品的磁性行为更接近反铁磁行,而传统烧结样品表现出铁磁性,且SPS样品的饱和磁化强度和剩余磁化强度更大,矫顽力更小。由于无法避免Bi的挥发,采用Bi补偿法来提高样品质量,Bi补偿的质量分数依次为1%,2%和3%。将补偿Bi的样品与未补偿Bi的样品进行性能比较,结果发现,先驱体发生化学反应的温度未随着Bi的补偿而发生漂移,经过补偿后样品的纯度变化不大,依然能得到纯相样品,但是密度随着补偿量的增加而增大,SEM观察发现晶粒尺寸变化不大;样品的介电性能表现出相同的变化趋势;随着Bi补偿量的增加,样品饱和极化强度和剩余极化强度增强,矫顽场强度减小;磁学性质变化较大,饱和磁化强度和剩余磁化强度增强,当Bi补偿量达到3%时,样品的磁性行为表现为反铁磁性。
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