0-3型锆钛酸铅/钴铁氧复合陶瓷纳米尺度的磁电效应

The binary composite magnetoelectric material has good application foreground in the fields of information storage and detection for magnetic field. However,many fundermental scientific problems concerning its application have not been well resolved. For example, the measured magnetoelectric coefficient for the 0-3 type material is usually one or two magnitudes smaller than the calculated value. This is attributed to the complicated synthesis technology, and many factors, such as the particle size, leakage, the second phase due to reaction at boundary, etc, may greatly affect the magnetoelectric properties. The recent studies indicate that the magnetioelectric properties of the 0-3 type material can be greatly improved by controlling particle size on the nanometer scale. Therefore, we plan to prepare the 0-3 type Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)/CoFe2O4(CFO) composite ceramic by combining chemical synthesis methods and Spark-Plasma-Sintering technology, and in the composite ceramic, the CFO nano-particles should be dispersed in PZT matrix without aggregation. Furthermore, the nanometer-scale magnetoelectric effect will also be studied in detail, including the impact of size changing on magnetoelectric effect, the effect of boundary micro-coupling on the nanometer-scale magnetoelectric effect, the manipulation of leakage by reducing particle size to nanometer scale. Based on these, we will try to effectively improve the magnetoelectric properties of the composite ceramics.

二元复合磁电材料在信息存储和磁场探测等方面有较好的应用前景。然而，目前一些和其实用性有关的基础科学问题还没得到很好的解决。比如0-3复合磁电材料磁电电压系数的实验值一般比计算值小一到两个量级，这是因为0-3型材料制备工艺较复杂，因而很多因素（如颗粒尺寸，漏电流，界面反应生成的第二相等）都可能会对磁电性能产生较大影响。近期研究显示当铁磁颗粒尺寸减小到纳米量级，0-3型复合磁电材料的磁电性能会明显改善。因此，本项目计划结合化学方法和放电等离子烧结技术制备0-3型Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT) / CoFe2O4(CFO)复合磁电陶瓷，其中CFO以纳米颗粒形式无团聚地分散在PZT陶瓷基体中，进而系统研究其纳米尺寸下的磁电效应，包括CFO尺寸改变对磁电性能的影响，界面微观耦合对纳米尺度范围磁电效应的影响，CFO的尺寸纳米化对漏电流的调控等，并在此基础上有效改善复合陶瓷的磁电性能。

基于CoFe2O4的复合材料的电磁特性研究是近些年的热点。本项目针对CoFe2O4的各种具有特殊磁学与电学性能的复合材料开展了一系列实验与计算研究，主要取得了以下成果：.1.通过燃烧法制备了尺寸约10 nm的CoFe2O4纳米颗粒，通过后期退火处理实现尺寸从10 nm到超过一微米范围内的有效调控。发现其矫顽力在尺寸约30 nm附近达到最大。通过初始磁化曲线测试确定此尺寸对应CoFe2O4纳米颗粒的单磁畴临界尺寸。.2.基于1，使用放电等离子体烧结(SPS)技术制备了具有不同质量比例的CoFe2O4/PZT复合陶瓷并系统研究了复合陶瓷磁学，电学，与磁电效应等性能，发现当CoFe2O4的质量分数为10%时，复合材料具有最佳磁电转换系数。.3.基于1，2，使用SPS制备了具有固定质量比例(CoFe2O4的质量分数为10%)的CoFe2O4/BaTiO3复合陶瓷，其中CoFe2O4具有不同颗粒尺寸(复合前分别在200，500，800摄氏度退火)。通过变温复介电常数和复阻抗测试发现用500度退火获得的CoFe2O4纳米颗粒制备的复合陶瓷具有最大的低频介电弛豫的激活能，且其电传导与磁电效应等行为明显有别于其余两样品。.4.使用共沉淀法尝试性地制备了具有核壳结构的CoFe2O4/BaTiO3复合颗粒。.5.研究CoFe2O4/CoFe2复合纳米粉末和陶瓷的交换弹簧效应：.(1).通过还原反应制备了CoFe2O4/CoFe2复合纳米粉末，发现400度还原反应有利于两相界面形成较强的交换耦合作用。.(2).使用SPS制备了CoFe2O4/CoFe2复合纳米陶瓷，发现500摄氏度烧结有利于两相界面形成较强的交换耦合作用，增大CoFe2的质量分数也有利于界面交换耦合的增强。.(3).采用氧化反应制备了以CoFe2为核，以CoFe2O4为壳的复合颗粒。发现适中的核壳厚度比例有利于界面交换耦合作用的增强。.6.通过微磁学仿真研究了CoFe2O4/Fe3O4与CoFe2O4/CoFeB复合薄膜交换弹簧效应的电场调控，调控机制为基于逆磁电效应的应力机制。系统研究了材料参数，厚度比例，与外磁场方向对电场调控的影响。发现对PZN-PT/CoFe2O4/CoFeB复合体系，足够大的负值电场可以实现交换弹簧到软磁的转变，在此基础上改变磁场方向可以得到具有台阶的磁滞回线，实现双态到四态的转变。