一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，包括：（1）将铁电陶瓷粉体和粘结剂混合后压制成型，再经脱粘和烧结，得到铁电陶瓷块体；（2）对铁电陶瓷块体施加外加电场进行极化处理，再经捣碎和研磨，得到极化富氧空位铁电粉体。得到极化富氧空位铁电粉体。得到极化富氧空位铁电粉体。

【技术实现步骤摘要】
一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法


[0001]本专利技术涉及增强铁电材料湿敏性能的方法，尤其是涉及一种铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，具体涉及一种极化富氧空位铁电粉体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]湿度传感器在人类日常生产生活中起到了重要的作用，广泛应用于医疗、农林、化工、食品、气象、科研等众多领域。湿敏材料是湿度传感器的核心部分，目前常见的湿敏材料包括金属氧化物、光子晶体、聚合物和石墨烯复合材料等。但是这些材料存在合成工艺复杂，灵敏度低、响应和恢复时间长等缺点，不利于湿度传感器的大规模应用。湿敏材料对水分子的吸附能力决定了湿度传感器性能的优劣。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，具体提供了一种极化富氧空位铁电粉体及其制备方法和应用。
[0004]第一方面，本专利技术提供了一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，包括：(1)将铁电陶瓷粉体和粘结剂混合后压制成型，再经脱粘和烧结，得到铁电陶瓷块体；(2)对铁电陶瓷块体施加外加电场进行极化处理，再经捣碎和研磨，得到极化富氧空位铁电粉体。
[0005]本专利技术中，铁电材料因极化在表面产生束缚电荷，空气中的水分子或羟基能够吸附在其表面来屏蔽这些束缚电荷。因此，铁电极化能够促进水分子或羟基的吸附，而表面氧空位则为水分子或羟基提供了大量的吸附位置。因此，通过一种铁电极化和氧空位的协同效应来提升铁电材料的湿敏性能，对高灵敏度传感器的发展是十分有意义的。
[0006]较佳的，所述铁电陶瓷粉体为具有湿敏特性的铁电材料，优选选自BiFeO3粉体、BaTiO3粉体、K1‑
x
Na
x
NbO3粉体(x＝0～1)、LiNbO3粉体、Na1‑
y
Bi
y
TiO3粉体(y＝0.45～0.55，优选0.5)、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3粉体(0＜z≤1，优选0.5)、Bi1‑
b
K
b
TiO3粉体(b＝0.4～0.6，优选0.5)中的至少一种或两种以上的掺杂复合(例如至少两种的掺杂复合，mBiFeO3‑
(1
‑
m)BaTiO3复合粉体(0＜m＜1)、或nBaTiO3‑
(1
‑
n)Bi
0.5
Na
0.5
TiO3复合粉体(0＜n＜1))；所述铁电陶瓷粉体的粒径为0.1～10μm，优选为0.1～5μm，更优选为0.2～2.5μm。上述具有湿敏特性的铁电材料也可以进行元素掺杂。
[0007]较佳的，所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种；所述粘结剂的加入量为铁电陶瓷粉体质量的10～30wt％。
[0008]较佳的，所述脱粘的温度为600～650℃，时间为30～60分钟；所述烧结的温度为750～1300℃(优选850～1300℃)，烧结的时间为1～4小时；优选地，所述脱粘和烧结的升温速率为3～10℃/min。
[0009]较佳的，所述极化处理为：将铁电陶瓷块体抛光并两面披覆金属电极后置于硅油中，设置极化温度为25～80℃，极化电压为10～50kV/cm，极化时间为5～60分钟。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种根据上述方法制备的极化富氧空位铁电粉体，所述极化富氧空位铁电粉体的化学式为BiFeO3‑
a
、BaTiO3‑
a
、K1‑
x
Na
x
NbO3‑
a
(x＝0～1)、LiNbO3‑
a
、Na1‑
y
Bi
y
TiO3‑
a
(y＝0.45～0.55，优选0.5)、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3‑
a
(0＜z≤1，优选0.5)、Bi1‑
b
K
b
TiO3‑
a
(b＝0.4～0.6，优选0.5)中的至少一种，其中0＜a≤0.05；所述极化富氧空位铁电粉体的粒径为0.1～10μm，优选为0.1～5μm，更优选为0.2～2.5μm。
[0011]第三方面，本专利技术提供了湿度传感器，依次包括：衬底、形成在衬底表面的叉指电极、以及形成在叉指电极表面的铁电材料湿敏薄膜；所述铁电材料湿敏薄膜的组成包括上述极化富氧空位铁电粉体；所述极化富氧空位铁电粉体的化学式为BaTiO3‑
a
、K1‑
x
Na
x
NbO3‑
a
(x＝0～1)、LiNbO3‑
a
、Na1‑
y
Bi
y
TiO3‑
a
(y＝0.45～0.55，优选0.5)、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3‑
a
(0＜z≤1，优选0.5)、Bi1‑
b
K
b
TiO3‑
a
(b＝0.4～0.6，优选0.5)中的至少一种，其中0＜a≤0.05。
[0012]本专利技术制得的基于极化富氧空位铁电材料的湿度传感器较基于原始铁电材料的湿度传感器的湿敏性能显著提高，为铁电材料湿敏性能的提升提供了一种新的备选方法。
[0013]较佳的，所述衬底的材质选自氧化铝、聚酰亚胺、苯二甲酸乙二醇酯、云母中的一种；所述叉指电极的材质选自金、银中的至少一种。
[0014]较佳的，所述铁电材料湿敏薄膜的厚度为20～80μm。
[0015]第四方面，本专利技术提供了湿度传感器的制备方法，将上述富氧空位铁电粉体和粘结剂混合后印刷于附有叉指电极的衬底上，再经过加热处理，得到湿度传感器。优选地，所述加热处理的温度为50～250℃，时间为1～2小时；所述极化富氧空位铁电粉体的化学式为BaTiO3‑
a
、K1‑
x
Na
x
NbO3‑
a
(x＝0～1)、LiNbO3‑
a
、Na1‑
y
Bi
y
TiO3‑
a
(y＝0.45～0.55，优选0.5)、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3‑
a
(0＜z≤1，优选0.5)、Bi1‑
b
K
b
TiO3‑
a
(b＝0.4～0.6，优选0.5)中的至少一种，其中0＜a≤0.05。
[0016]有益效果：本专利技术采用极化铁电陶瓷再捣碎碾磨获得极化富氧空位铁电粉体材料。该方法既能通过陶瓷高温烧结产生氧空位，为水分子在铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过铁电极化和氧空位协同增强铁电材料湿敏性能的方法，其特征在于，包括：（1）将铁电陶瓷粉体和粘结剂混合后压制成型，再经脱粘和烧结，得到铁电陶瓷块体；（2）对铁电陶瓷块体施加外加电场进行极化处理，再经捣碎和研磨，得到极化富氧空位铁电粉体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电陶瓷粉体为具有湿敏特性的铁电材料，优选选自BiFeO3粉体、BaTiO3粉体、K1‑
x
Na
x
NbO3粉体（x=0～1）、LiNbO3粉体、Na1‑
y
Bi
y
TiO3粉体（y=0.45～0.55，优选0.5）、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3粉体（0＜z≤1，优选0.5）、Bi1‑
b
K
b
TiO3粉体（b=0.4～0.6，优选0.5）中的至少一种或两种以上的掺杂复合；所述铁电陶瓷粉体的粒径为0.1～10μm，优选为0.1～5μm，更优选为0.2～2.5μm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的至少一种；所述粘结剂的加入量为铁电陶瓷粉体质量的5～30 wt%。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱粘的温度为600～650 ℃，时间为30～60 分钟；所述烧结的温度为750～1300 ℃，烧结的时间为1～4 小时；优选地，所述脱粘和烧结的升温速率为3～10 ℃/min。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其特征在于，所述极化处理为：将铁电陶瓷块体抛光并两面披覆金属电极后置于硅油中，设置极化温度为25～80 ℃，极化电压为10～50 kV/cm，极化时间为5～60 分钟。6.一种根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法制备的极化富氧空位铁电粉体，其特征在于，所述极化富氧空位铁电粉体的化学式为BiFeO3‑
a
、BaTiO3‑
a
、K1‑
x
Na
x
NbO3‑
a
（x=0～1）、LiNbO3‑
a
、Na1‑
y
Bi
y
TiO3‑
a
（y=0.45～0.55，优选0.5）、(Ba1‑
z
Sr
z
)TiO3‑
a
（0＜z≤1，优选0.5）、Bi1‑
b

【专利技术属性】
技术研发人员：马楠，陈欣怡，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：