BiFeO3基多铁性纳米陶瓷的制备及物性研究

本项目以铁酸铋（BiFeO3）体系为研究对象，使用软化学法（如溶胶-凝胶法、溶剂热法）制备高质量的纳米粉体，通过适当的元素掺杂（如La、Tb、Nd等）改善BiFeO3的烧结性能，结合放电等离子烧结、热压烧结等特种烧结技术，抑制烧结过程中的晶粒长大，制备多铁性BiFeO3基纳米陶瓷，使其具有良好的铁磁、铁电性，在纳米尺度上研究磁、电等特性及其耦合机理，揭示多铁性材料在不同晶粒尺度下的磁、电及其耦合的变化规律，探索烧结机理对物理性能的影响程度。本项目研究预期在理论上深入理解多铁性纳米陶瓷的磁-电物理效应及多场耦合机制，探索纳米结构多铁性陶瓷实现的途径，为新型多铁性陶瓷材料的研制和开发提供新的思路。

多铁性材料具有铁电铁磁两种有序，在继承两者优点同时提高了材料器件设计的自由度；多铁性材料由于铁磁、铁电的自旋-晶格耦合而具有丰富的物理内涵。本项目使用溶胶凝胶法、水热法制备前驱粉体，放电等离子烧结技术（SPS）控制晶粒生长，制备不同粒径的BFO基纳米陶瓷和PZT/NiFe2O4复相纳米陶瓷，探讨纳米块体的磁、电性能对晶粒尺寸的依赖性。. 通过优化反应时间、温度和矿化剂可以水热法制备单相BFO基粉体。但SPS烧结会析出第二相，导致介电性能不佳，且无法制备纳米陶瓷。. 溶胶凝胶法制备单相BFO陶瓷粉体，SPS包埋烧结抑制铁离子还原，可制备低损耗的BFO陶瓷。Ba元素掺杂增强铁磁性，弱化铁电性；Ca元素掺杂具有相反趋势；La和Tb共掺使BFO陶瓷具有较好的铁电铁磁性。通过优化络合剂种类和反应温度，500℃左右得到纳米BFO基粉体。. 因BFO烧结窗口狭窄、晶粒生长迅速，700℃SPS烧结陶瓷出现晶粒异常；通过高能球磨法在纳米粉体晶粒表面引入ZrO2相，有效抑制其晶粒生长，800℃烧结可得到50nmBFO陶瓷。在此基础上研究不同粒径BFO陶瓷的尺寸效应：介电常数随晶粒尺寸降低而降低。因纳米尺度下铁磁自旋的湮灭,铁磁相变点降低；晶粒和晶界热膨胀系数不同以及SPS的快速冷却导致室温下晶粒存在拉应力，诱导四方三方相变随晶粒尺寸降低（680℃降低到655℃）；铁电顺电相变保持在832℃，意味着BFO单畴单晶粒的临界尺寸远低于50nm。铁电矫顽场随晶粒尺寸降低而升高，在15kV/mm电场下未观察到电畴的反转，因而无法观测到纳米陶瓷的磁电耦合性质。. 使用原位反应法和高能球磨法制备PZT/NiFe2O4纳米复相陶瓷。前者可实现两相均匀分散，却无法控制晶粒生长；虽可提高微米尺度下的磁电耦合系数，但不能得到纳米复相陶瓷。高能球磨有效破坏两者的团聚，实现两相均匀分散，SPS抑制复相陶瓷烧结过程中的晶界扩散和晶粒长大，通过优化烧结参数，最终晶粒尺寸控制在50nm左右。纳米复相陶瓷具有典型的电滞回线，且在3 kV/mm的外加电场下可以引发电畴的反转，8kV/mm的外加电场下自发极化强度为0.08C/m2；纳米复相陶瓷的磁电耦合系数从数十mV/cmOe降低到数mV/cmOe；不过在100Oe的外加直流磁场下，发现纳米复相陶瓷具有本征的1mV/cmOe的磁电耦合系数。