多铁性磁电复合陶瓷材料的混杂工艺制备及机理研究

为满足器件小型化、集成化和多功能化的需求，针对目前现有0-3型磁电复合陶瓷材料无法满足高电阻率和高磁电耦合系数等特性，拟采用混杂工艺将高压电系数/电致伸缩系数的铁电陶瓷和高磁致伸缩系数/压磁系数的铁氧体进行复合，获得晶粒较大、致密度高、相分布均匀的类似"混凝土"微观结构，从而进一步获得高电阻率、高磁电耦合系数和巨介电常数的多功能磁电复合材料。系统研究这类新型磁电复合材料的制备工艺，探索提高磁电复合材料电阻率和磁电耦合系数以及获得巨介电常数的方法，采用理论模拟和实验结合来研究探讨磁电复合材料中功能相的种类、含量以及晶粒尺寸等对磁电复合材料磁电性能的影响机理。本项目的顺利实施，有助于进一步深入认识和理解磁电复合材料的设计、制备、测试和机理研究等一系列科学问题，对多功能磁电复合材料的制备和研究提供重要的实验和理论依据。并有望催生出一些基于磁电复合材料的具有全新原理的无源元器件。

本项目以BaTiO3、Ba1-xSrxTiO3、SrTiO3等典型铁电体为铁电功能相，以CoFe2O4、NiZn铁氧体典型的尖晶石型铁氧体等为磁性功能相，分别采用混杂工艺和传统共混工艺制备了上述磁电复合陶瓷材料并对复合材料的磁电性能和相关机理进行了研究。研究表明，采用混杂工艺可以在一定程度上提高复合材料的致密度，同时由于铁电相的小晶粒包裹在铁氧体的表面可以明显提高复合材料的电阻率，从提高复合材料的磁电性能。本项目还对复合材料的介电弛豫机理进行分析，表明由于两相电阻率的差异可以通过界面极化达到巨介电常数的目的。本项目组的研究还表明，在烧结过程中BaTiO3基多铁性复合材料和Ba1-xSrxTiO3基多铁性复合材料中不可避免存在Fe3+的扩散。铁氧体中的Fe3+扩散到Ba1-xSrxTiO3中，会导致Ba1-xSrxTiO3的居里温度降低。更为严重的是，在BaTiO3/Ni0.5Zn0.5Fe2O4复合材料中，扩散到BaTiO3中的Fe3+会使四方相BaTiO3转变成不具有铁电性的六方相BaTiO3。