固相燒結(jié)法制備鈦酸鋇陶瓷材料

1、精品文檔固相燒結(jié)法制備BaTiO3（BTO）陶瓷材料鈦酸鋇是電子陶瓷材料的基礎(chǔ)原料， 被稱(chēng)為電子陶瓷業(yè)的支柱。它具有高介電常數(shù)、低介電損耗、優(yōu)良的鐵電、壓電、耐壓和絕緣性能， 被廣泛的應(yīng)用于制造陶瓷敏感元件， 尤其是正溫度系數(shù)熱敏電阻 ( ptc) 、多層陶瓷電容器 (MLccs) 、熱電元件、壓電陶瓷、聲納、紅外輻射探測(cè)元件、 晶體陶瓷電容器、電光顯示板、記憶材料、聚合物基復(fù)合材料以及涂層等。鈦酸鋇具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)， 用于制造電子陶瓷材料的粉體粒徑一般要求在 100nm以?xún)?nèi)。因此 BaTiO3 粉體粒度、形貌的研究一在此溫度以下， 1460以上結(jié)晶出來(lái)的鈦酸鋇屬于非鐵電的六方晶系 6/mm

2、m直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)之一。1 材料結(jié)構(gòu)鈦酸鋇是一致性熔融化合物，其熔點(diǎn)為1618。點(diǎn)群。此時(shí)，六方晶系是穩(wěn)定的。在1460130之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎解}。1 歡迎1下載精品文檔鈦礦型結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中 Ti4+( 鈦離子 ) 居于 O2-( 氧離子 ) 構(gòu)成的氧八面體中央， Ba2+(鋇離子 ) 則處于八個(gè)氧八面體圍成的空隙中（見(jiàn)右圖）。此時(shí)的鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性極高，因此無(wú)偶極矩產(chǎn)生，晶體無(wú)鐵電性，也無(wú)壓電性。隨著溫度下降，晶體的對(duì)稱(chēng)性下降。 當(dāng)溫度下降到 130 時(shí)，鈦酸鋇發(fā)生順電 - 鐵電相變。在 1305的溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇為四方晶系 4mm點(diǎn)群，具有顯著地鐵電性， 其自發(fā)極化強(qiáng)度沿 c 軸

3、方向，即 001 方向。鈦酸鋇從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄禃r(shí)，結(jié)構(gòu)變化較小。從晶胞來(lái)看，只是晶胞沿原立方晶系的一軸（ c 軸）拉長(zhǎng)，而沿另兩軸縮短。當(dāng)溫度下降到 5以下，在 5-90溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇晶體轉(zhuǎn)變成正交晶系 mm2點(diǎn)群，此時(shí)晶體仍具有鐵電性， 其自發(fā)極化強(qiáng)度沿原立方晶胞的面對(duì)角線(xiàn) 011 方向。為了方便起見(jiàn)，通常采用單斜晶系的參數(shù)來(lái)描述正交晶系的單胞。 這樣處理的好處是使我們很容易地從單胞中看出自發(fā)極化的情況。 鈦酸鋇從四方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪担?其結(jié)構(gòu)變化也不大。從晶胞來(lái)看，相當(dāng)于原立方晶系的一根面對(duì)角線(xiàn)伸長(zhǎng)了， 另一根面對(duì)角線(xiàn)縮短了， c 軸不變。2 歡迎2下載精品文檔晶相轉(zhuǎn)變當(dāng)溫度繼續(xù)

4、下降到 -90 以下時(shí)，晶體由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿本?3m點(diǎn)群，此時(shí)晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強(qiáng)度方向與原立方晶胞的體對(duì)角線(xiàn)111 方向平行。鈦酸鋇從正交晶系轉(zhuǎn)變成三斜晶系，其結(jié)構(gòu)變化也不大。從晶胞來(lái)看，相當(dāng)于原立方晶胞的一根體對(duì)角線(xiàn)伸長(zhǎng)了，另一根體對(duì)角線(xiàn)縮短了。綜上所述，在整個(gè)溫區(qū)(<1618 ) ，鈦酸鋇共有五種晶體。3 歡迎3下載精品文檔結(jié)構(gòu)，即六方、立方、四方、單斜、三斜，隨著溫度的降低，晶體的對(duì)稱(chēng)性越來(lái)越低。在 130（即居里點(diǎn)）以上，鈦酸鋇晶體呈現(xiàn)順電性，在 130以下呈現(xiàn)鐵電性。2 制備 BTO陶瓷材料3.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介本試驗(yàn)采用固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 陶瓷材料 ,

5、所需藥品為一定質(zhì)量的 BaCO3和 TiO2，充分研磨后 800預(yù)燒， 研磨后1200燒結(jié)制備 BTO粉體。冷卻后研磨，加粘結(jié)劑 PVC，壓片成型， 1400燒結(jié)。冷卻后制得樣品。3.2 藥品稱(chēng)量每種藥品的稱(chēng)量按以下三個(gè)步驟完成的： 粗稱(chēng)干燥 細(xì)稱(chēng)，粗稱(chēng)時(shí)只要求樣品質(zhì)量精確到 0.01g, 粗稱(chēng)好的樣品應(yīng)及時(shí)放入干燥箱內(nèi)干燥，粗稱(chēng)的樣品可能被長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)，藥品內(nèi)可能物理吸附了一定量的水分， 為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性所以要對(duì)粗稱(chēng)后的樣品進(jìn)行干燥處理。 本次試驗(yàn)中干燥使用高溫恒溫烘干箱 GHX 系列 , 如圖 21 所示。按下底座左下方的。4 歡迎4下載精品文檔綠色按鈕后，通過(guò)箱蓋上的 SET按鈕以及

6、表盤(pán)可以設(shè)置溫度以及時(shí)間。本次試驗(yàn)要求溫度設(shè)置在 120 度，烘干兩個(gè)小時(shí)， 烘干時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：一、干燥樣品前要保證干燥箱內(nèi)清潔無(wú)污染，干燥前要用酒精擦拭干燥箱， 若干燥箱長(zhǎng)時(shí)間不用一定要在不內(nèi)置樣品的情況下干燥半小時(shí)。 二、干燥結(jié)束后一定不要立即打開(kāi)箱蓋，否則樣品會(huì)吸附空氣中的水分， 干燥兩個(gè)小時(shí)后斷電，讓保溫箱的溫度自然冷卻至室溫再取出樣品。圖 21 GHX 系列高溫恒溫烘干箱圖 2-2AB135-S型電子天平細(xì)稱(chēng)是本次實(shí)驗(yàn)的最關(guān)鍵部分， 它直接影響到樣品的摻雜。5 歡迎5下載精品文檔是否準(zhǔn)確，進(jìn)一步會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性， 所以細(xì)稱(chēng)時(shí)要求我們要嚴(yán)格按照天平上標(biāo)注的使用方法進(jìn)行， 并且要

7、保證換樣品稱(chēng)量時(shí)要更換稱(chēng)量紙并且用酒精清洗藥匙、 鑷子、稱(chēng)量瓶等用具，并詳細(xì)登記所稱(chēng)質(zhì)量， 稱(chēng)量完畢后仍要對(duì)樣品密封妥善保管，本次實(shí)驗(yàn)中粗稱(chēng)和細(xì)稱(chēng)都使用 AB135-S型高精度物理分析天平，如圖 2-2 所示。AB135-S型電子天平精確度達(dá)到 0.00001 克，這就保證了實(shí)驗(yàn)的精確性與可信度。 稱(chēng)量時(shí)對(duì)操作者的熟練程度有很高的要求：首先，要保持雙手的清潔，以防止污染樣品；其次，要把天平放在一個(gè)安靜而穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上， 而且要避風(fēng)。 由于天平的精確度很高， 微弱的振動(dòng)甚至大聲說(shuō)話(huà)都能使天平失去平衡，穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)能為稱(chēng)量提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境。 具體的操作細(xì)則如下：天平使用前要先調(diào)平。 也就

8、是讓天平處于水平狀態(tài)， 通過(guò)調(diào)節(jié)天平底座下面的三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)， 標(biāo)準(zhǔn)是讓天平上面的水平儀中的水泡居中。天平使用前要調(diào)零。 調(diào)節(jié)天平右后面的調(diào)零旋鈕讓光標(biāo)指零，若不能指零可調(diào)節(jié)里面的平衡螺母讓光標(biāo)指零。打開(kāi)天平防風(fēng)玻璃， 向吊盤(pán)內(nèi)添加藥品， 添加的準(zhǔn)確程度主要與操作者的熟練程度有關(guān)。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)視野中的光標(biāo)向下移動(dòng)時(shí)停止加藥品，待讀數(shù)后再確定所加量。6 歡迎6下載精品文檔加完藥品后合上擋風(fēng)玻璃， 然后讀數(shù)，若該值與我們所需值相同時(shí)，此次稱(chēng)量即算完成。最后取出藥品前先將制動(dòng)旋鈕制動(dòng)，然后將天平砝碼歸零。細(xì)稱(chēng)時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題：一、稱(chēng)量前要用濕抹布擦拭桌面，保持桌面干凈。二、桌上放兩張白紙，一張放藥匙

9、，一張放藥品，且每換一種藥品都要換一次紙。三、每次稱(chēng)量以“ 0”點(diǎn)消失時(shí)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。本過(guò)程需要制備BTO粉末 2.77g, 所需藥品 BaCO3和 TiO2的量如表 2-1 所示。表 2-1 第一次稱(chēng)量所需藥品質(zhì)量藥品名稱(chēng)BaCO3TiO2摩爾質(zhì)量（g/mol ）197.3479.88純度（ %）99.099.0所需量（ mol）0.010.01所需質(zhì)量（ g）1.99330.8068所稱(chēng)質(zhì)量（ g）1.993530.80674粗稱(chēng)質(zhì)量（ g） 研磨。7 歡迎7下載精品文檔本實(shí)驗(yàn)在預(yù)燒前后有兩次研磨， 在壓片前有一次研磨， 研磨使用如圖 2-3 所示的瑪瑙研缽， 研磨目的是

10、為了將各種藥品混合均勻，并且讓藥品的顆粒尺寸足夠小。 研磨時(shí)一定要注意不要讓藥品撒出研缽， 同時(shí)不要讓雜質(zhì)混入研缽。 具體的要求就是研磨時(shí)禁止說(shuō)話(huà)和走動(dòng)， 在樣品沒(méi)有混合均勻前禁止用藥匙等其他物品攪拌， 這樣做是為了保證比例的穩(wěn)定性， 提高樣品的純度。另外，研缽在進(jìn)行樣品的研磨前一定要進(jìn)行清洗，一般先用濃硝酸清洗， 而后用水清洗， 在水分蒸發(fā)完后再用酒精進(jìn)行清洗，這樣做能減少雜質(zhì)的混入，提高樣品的純度。圖 2-3瑪瑙研缽實(shí)物圖圖 2-4 FW-4A型粉末壓片機(jī)3.4 預(yù)燒研磨后將樣品放入氧化鋁制成的燒結(jié)舟中，并將燒結(jié)舟放。8 歡迎8下載精品文檔在管式爐中間的2030cm處均可。預(yù)燒溫度梯度：從

11、室溫 120min升溫至 800，保溫 120min，自然降溫至室溫。3.5 高溫?zé)Y(jié)制 BTO粉體將預(yù)燒后樣品研磨充分， 放入氧化鋁制成的燒結(jié)舟中， 并將燒結(jié)舟放在管式爐中間的 20 30cm處均可。燒結(jié)溫度梯度： 從室溫 240min 升溫至 1200，保溫 24h，自然降溫至室溫3.6 壓片燒結(jié)后的樣品重新研磨，加適量粘結(jié)劑 PVC，將其壓成直徑為 1213mm、厚度為 1.5 2mm的薄片。本實(shí)驗(yàn)所用壓片機(jī)為 FW-4A型粉末壓片機(jī)，如圖 2-4 所示：我們分別采用不同壓力（分別為 8Mpa、10Mpa、 12Mpa、12Mpa、12Mpa、12Mpa），不同的壓力保持時(shí)間 （ 30s

12、、60s、90s、120s、150s、180s）對(duì)各替代樣品的預(yù)燒混合物進(jìn)行壓片，結(jié)果表明 , 壓片壓力為 12MPa、壓力持續(xù)時(shí)間為120s 左右時(shí)，預(yù)燒混合物最易壓片成型。壓力過(guò)小、持續(xù)時(shí)間過(guò)短不易成片，樣品松散；壓力過(guò)大持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，樣品容易產(chǎn)生裂紋，易破碎。壓片完成后把樣品包裝好放入儲(chǔ)藏瓶中以待燒結(jié)。9 歡迎9下載精品文檔注意事項(xiàng)：首先要做好壓片模具的清潔工作， 這樣可以保證待壓片樣品的純度， 避免雜質(zhì)的混入。 其次要保證所施壓力的均勻性，壓力點(diǎn)必須正對(duì)工具的正中心， 且要慢慢施加壓力，避免忽快忽慢，聽(tīng)到一聲響，即表示壓片完成（在工具底部要放上最干凈的棉花），這樣可以提高樣品的成型率和

13、成型質(zhì)量。3.7 高溫?zé)Y(jié)制備 BTO塊材將樣品放入氧化鋁制成的燒結(jié)舟中， 并將燒結(jié)舟放在管式爐中間的 2030cm處均可。燒結(jié)溫度梯度：從室溫 360min 升溫至 1400，保溫 6h，自然降溫至室溫即可得 BTO陶瓷材料樣品3參考文獻(xiàn)1 續(xù) 京, 張 杰 . 電子陶瓷材料納米欽酸鋇制備工藝的研究進(jìn)展 J.石油化工應(yīng)用第 28 卷 第 1 期 2009 年 2 月2 李寶讓 , 王曉慧 , 韓秀全 , 等 . 放電等離子法燒結(jié)BaTiO3納米晶 J.壓電與聲光 .2005,27(1):43-46.3 肖長(zhǎng)江 , 靳常青 , 王曉慧 . 高壓燒結(jié)納米鈦酸鋇陶瓷的結(jié)構(gòu)和鐵電性 J. 硅酸鹽學(xué)報(bào)

14、 .2008,36(6):748-750.4 X-H. Wang, X-Y. Deng, H. Zhou et al Bulk dense。10 歡10迎下載精品文檔nanocrystallineBaTiO3 ceramicspreparedbynovelpressureless two-step sintering method J.J Electroceram, 2007,5.5 Wei- ling Luan,Lian Gao&Jing- Kun Guo.Comparisions of nanostructured BaTiO3 powders synthesized by sol- gel method and sol- precipitation methodJ. Journal of Advanced Materials, 1999,31(4):37. 6MichaelVeith,Sanjay Mathur %Nicolas Lecerfet al . Sol- ge Synthesisofnano-scale