一种Lu、Ta同时施主掺杂的钛酸锶基巨介电陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及电子功能材料，尤其涉及一种lu、ta同时施主掺杂的钛酸锶基巨介电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、巨介电陶瓷广泛应用于电子器件的微型化。常见的巨介电陶瓷有tio2基、nio基、cacu3ti4o12基、batio3基和srtio3基陶瓷等。这些陶瓷材料虽然被广泛的研究报道，但由于材料本身的缺陷，影响了它们的应用。例如tio2基陶瓷的应用受其击穿强度较低(5～10kv/mm)的限制；nio基陶瓷和cacu3ti4o12基陶瓷则受限于难以降低的介电损耗(＞0.1)；batio3基陶瓷在居里温度(～125℃)下会发生铁电相变导致其介电常数急剧增加到～10000，这会影响其在高温条件下的应用。相较于上述陶瓷，srtio3基陶瓷具有高击穿强度(～25kv/mm)、低介电损耗(～0.005)和较低的频率、温度依赖性等优点而受到关注。但纯srtio3存在着本征介电常数(～300)较低的问题。因此提升srtio3基陶瓷介电性能的具有极其重要的应用意义。

2、掺杂改性与非氧化气氛烧结可以有效地提升srtio3基巨介电陶瓷的介电常数。例如wang等人(z.j.wang,m.h.cao,z.h.yao,q.zhang,z.song,w.hu,q.xu,h.hao,h.x.liu,z.y.yu,giant permittivity and low dielectric loss of srtio3ceramics sinteredin nitrogen atmosphere,j.eur.ceram.soc.34(2014)1755-1760.)报道了在氮气气氛中烧结的纯srtio3陶瓷具有巨介电常数(εr～47601)与低介电损耗(tanδ～0.0058)。且其介电常数在-100～200℃范围内呈现出平台状，这说明介电常数的温度稳定性良好。巨介电效应与氧空位完全电离产生的缺陷偶极子簇有关。而掺杂改性同样有助于提升srtio3的介电性能。特别是对于具有abo3的立方钙钛矿结构的srtio3，不同位点的离子掺杂改性会对缺陷种类产生影响，从而影响其介电性能。qiao等人(qiaoy,li w,zhangy,etal.hole-pinned defect-dipoles induced colossal permittivity in bi dopedsrtio3ceramics with sr deficiency[j].journal ofmaterials science&technology,2020,44:54-61.)通过a位掺杂的方式制备了sr1-1.5xbixtio3(x＝0、0.01、0.05和0.1)陶瓷，该陶瓷在空气气氛烧结即可获得巨介电效应。在x＝0.05时该陶瓷获得了εr～104的巨介电常数和tanδ＜0.05的低介电损耗。相结构分析和密度泛函理论计算表明，对自由电子有钉扎作用的缺陷簇是产生巨介电效应的主要原因。guo等人(guo x,pu y,wang w,et al.colossal permittivity and low dielectric loss in ta dopedstrontium titanate ceramics by designing defect chemistry[j].journal ofalloysand compounds,2020,818:152866.)通过在b位使用ta元素施主掺杂的方式制备了srti1-xtaxo3陶瓷(0.000≤x≤0.014)陶瓷。结果表明在x＝0.010的陶瓷样品中，可以同时获得巨介电常数(εr～22790)与低介电损耗(tanδ～0.012)。介电性能的提升与电子钉扎缺陷偶极子(epdd)效应有关，epdd效应会使局部极化增强，从而使介电常数增加，此外该效应还会抑制电子的长程位移，从而在宽频范围内降低了介电损耗。

3、然而，上述研究均是单一元素掺杂改性，对陶瓷材料介电性能的提升有限，难以满足电子元器件小型化和储能器件对电介质材料的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料的制备方法。本发明利用lu、ta分别在srtio3的a(sr)位和b(ti)位同时施主掺杂，所得srtio3基巨介电陶瓷材料具有巨介电效应，且介电损耗小，介电常数的频率、温度稳定性良好，满足电子元器件小型化和储能器件对电介质材料的需求。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)按照式i中的化学计量比，将srco3、tio2、lu2o3和ta2o5进行一次球磨，将所得一球次球磨料干燥后合成，得到合成粉；

5、sr0.01lu0.985ti1-xtaxo3式i；

6、式i中：0＜x≤0.015；

7、(2)将所述合成粉二次球磨后依次进行过筛和干燥，得到二次球磨料；

8、(3)将所述二次球磨料、粘结剂和水混合后依次进行陈腐、造粒和干压成型，得到陶瓷坯体；

9、(4)将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料；所述烧结的气氛为氮气。

10、优选的，所述一次球磨和二次球磨的条件独立的包括：球磨转速为250～350rpm，球磨时间为5～7h，球磨介质为去离子水。

11、优选的，所述合成的温度为1150～1250℃，保温时间为3～5h；升温至所述合成的温度的升温速率为4～6℃/min；所述合成的气氛为空气。

12、优选的，所述粘结剂为聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液的浓度为3～5wt.％；所述粘结剂的用量为所述合成粉质量的1～2％；所述水的用量为所述合成粉质量的0.5～1％。

13、优选的，所述干压成型的压力为13～17mpa；所述陶瓷坯体的直径为8～12mm，厚度为1～2mm。

14、优选的，所述排胶的温度为550～650℃，保温时间为1.5～2.5h。

15、优选的，所述烧结的温度为1500～1550℃，保温时间为5～7h，所述烧结时氮气的气流量为60～100ml/min。

16、优选的，升温至所述烧结的温度的程序为：先以4～6℃/min的速率升温至1200℃，再以2～4℃/min的速率升温至1400℃，之后以1～3℃/min升温至1500℃，最后以0.5～1.5℃/min，升温至烧结的温度。

17、本发明还提供了上述方案所述制备方法制备得到的lu、ta同时施主掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料，化学式如式i所示：

18、sr0.01lu0.985ti1-xtaxo3式i；

19、式i中：0＜x≤0.015。

20、优选的，所述lu、ta同时施主掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料在室温、1khz的测试频率下的介电常数为156000～253000，介电损耗为0.02～0.067。

21、本发明提供了一种lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按照式i(见上文)中的化学计量比，将srco3、tio2、lu2o3和ta2o5进行一次球磨，将所得一球次球磨料干燥后合成，得到合成粉；(2)将所述合成粉二次球磨后依次进行过筛和干燥，得到二次球磨料；(3)将所述二次球磨料、粘结剂和水混合后依次进行陈腐、造粒和干压成型，得到陶瓷坯体；(4)将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料；所述烧结的气氛为氮气。本发明利用lu和ta分别在a(sr)位和b(ti)位同时施主掺杂srtio3产生的锶空位氧空位以及ti3+等缺陷偶极子，这些缺陷偶极子更倾向于形成稳定的缺陷簇例如：和这些缺陷簇会提升局部极化率来达到巨介电效应，并且还会限制自由电子的长程位移达到降低介电损耗的目的。并且，本发明在氮气气氛下烧结即可获得lu、ta同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料，该陶瓷材料具有巨介电效应，介电损耗小，介电常数的频率、温度稳定性良好，满足电子元器件小型化和储能器件对电介质材料的需求。此外，本发明中掺杂剂ta2o5和lu2o3的用量较少，能降低生产成本；本发明涉及的制备方法简单，重复性好，成品率高，成本较低，便于商业化生产。

22、实施例结果表明，当x＝0.01时，在室温、1khz的测试频率下，lu、ta分别同时施主掺杂的srtio3基巨介电陶瓷材料的介电常数为～220000，介电损耗为～0.02。