固相燒結(jié)法制備鈦酸鋇陶瓷材料課程設計報告

...wd......wd......wd...固相燒結(jié)法制備BaTiO3〔BTO〕陶瓷材料TOC\o"1-3"\h\u126331前言 1192992材料構(gòu)造 1160663制備BTO陶瓷材料 4188503.1實驗簡介 4158013.2藥品稱量 462033.4預燒 8178113.5高溫燒結(jié)制BTO粉體 990623.6壓片 9171643.7高溫燒結(jié)制備BTO塊材 10145074樣品檢測與分析 1067285參考文獻 111前言鈦酸鋇是電子陶瓷材料的根基原料，被稱為電子陶瓷業(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、紅外輻射探測元件、晶體陶瓷電容器、電光顯示板、記憶材料、聚合物基復合材料以及涂層等。鈦酸鋇具有鈣鈦礦晶體構(gòu)造，用于制造電子陶瓷材料的粉體粒徑一般要求在100nm以內(nèi)。因此BaTiO3粉體粒度、形貌的研究一直是國內(nèi)外關(guān)注的焦點之一。2材料構(gòu)造鈦酸鋇是一致性熔融化合物，其熔點為1618℃。在此溫度以下，1460℃以上結(jié)晶出來的鈦酸鋇屬于非鐵電的六方晶系6/mmm點群。此時，六方晶系是穩(wěn)定的。在1460~130℃之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎解}鈦礦型構(gòu)造。在此構(gòu)造中Ti4+(鈦離子)居于O2-(氧離子)構(gòu)成的氧八面體中央，Ba2+(鋇離子)那么處于八個氧八面體圍成的空隙中〔見右圖〕。此時的鈦酸鋇晶體構(gòu)造對稱性極高，因此無偶極矩產(chǎn)生，晶體無鐵電性，也無壓電性。隨著溫度下降，晶體的對稱性下降。當溫度下降到130℃時，鈦酸鋇發(fā)生順電-鐵電相變。在130~5℃的溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇為四方晶系4mm點群，具有顯著地鐵電性，其自發(fā)極化強度沿c軸方向，即[001]方向。鈦酸鋇從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄禃r，構(gòu)造變化較小。從晶胞來看，只是晶胞沿原立方晶系的一軸〔c軸〕拉長，而沿另兩軸縮短。當溫度下降到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點群，此時晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強度沿原立方晶胞的面對角線[011]方向。為了方便起見，通常采用單斜晶系的參數(shù)來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?，其?gòu)造變化也不大。從晶胞來看，相當于原立方晶系的一根面對角線伸長了，另一根面對角線縮短了，c軸不變。晶相轉(zhuǎn)變當溫度繼續(xù)下降到-90℃以下時，晶體由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿本?m點群，此時晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強度方向與原立方晶胞的體對角線[111]方向平行。鈦酸鋇從正交晶系轉(zhuǎn)變成三斜晶系，其構(gòu)造變化也不大。從晶胞來看，相當于原立方晶胞的一根體對角線伸長了，另一根體對角線縮短了。綜上所述，在整個溫區(qū)(<1618℃)，鈦酸鋇共有五種晶體構(gòu)造，即六方、立方、四方、單斜、三斜，隨著溫度的降低，晶體的對稱性越來越低。在130℃〔即居里點〕以上，鈦酸鋇晶體呈現(xiàn)順電性，在130℃以下呈現(xiàn)鐵電性。3制備BTO陶瓷材料3.1實驗簡介本試驗采用固相燒結(jié)法制備BaTiO3陶瓷材料,所需藥品為一定質(zhì)量的BaCO3和TiO2，充分研磨后800℃預燒，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藥品稱量每種藥品的稱量按以下三個步驟完成的：粗稱──枯燥──細稱，粗稱時只要求樣品質(zhì)量準確到0.01g,粗稱好的樣品應及時放入枯燥箱內(nèi)枯燥，粗稱的樣品可能被長時間放置過，藥品內(nèi)可能物理吸附了一定量的水分，為了保證實驗的準確性所以要對粗稱后的樣品進展枯燥處理。本次試驗中枯燥使用高溫恒溫烘干箱GHX系列,如圖2－1所示。按下底座左下方的綠色按鈕后，通過箱蓋上的SET按鈕以及表盤可以設置溫度以及時間。本次試驗要求溫度設置在120度，烘干兩個小時，烘干時應注意以下兩點：一、枯燥樣品前要保證枯燥箱內(nèi)清潔無污染，枯燥前要用酒精擦拭枯燥箱，假設枯燥箱長時間不用一定要在不內(nèi)置樣品的情況下枯燥半小時。二、枯燥完畢后一定不要立即翻開箱蓋，否那么樣品會吸附空氣中的水分，枯燥兩個小時后斷電，讓保溫箱的溫度自然冷卻至室溫再取出樣品。圖2－1GHX系列高溫恒溫烘干箱圖2-2AB135-S型電子天平細稱是本次實驗的最關(guān)鍵局部，它直接影響到樣品的摻雜是否準確，進一步會影響到實驗的準確性，所以細稱時要求我們要嚴格按照天平上標注的使用方法進展，并且要保證換樣品稱量時要更換稱量紙并且用酒精清洗藥匙、鑷子、稱量瓶等用具，并詳細登記所稱質(zhì)量，稱量完畢后仍要對樣品密封妥善保管，本次實驗中粗稱和細稱都使用AB135-S型高精度物理分析天平，如圖2-2所示。AB135-S型電子天平準確度到達0.00001克，這就保證了實驗的準確性與可信度。稱量時對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，要把天平放在一個安靜而穩(wěn)定的實驗臺上，而且要避風。由于天平的準確度很高，微弱的振動甚至大聲說話都能使天平失去平衡，穩(wěn)定的實驗臺能為稱量提供一個相對穩(wěn)定的工作環(huán)境。具體的操作細則如下：天平使用前要先調(diào)平。也就是讓天平處于水平狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)天平底座下面的三個調(diào)節(jié)旋鈕來實現(xiàn)，標準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)零旋鈕讓光標指零，假設不能指零可調(diào)節(jié)里面的平衡螺母讓光標指零。翻開天平防風玻璃，向吊盤內(nèi)添加藥品，添加的準確程度主要與操作者的熟練程度有關(guān)。當發(fā)現(xiàn)視野中的光標向下移動時停頓加藥品，待讀數(shù)后再確定所加量。加完藥品后合上擋風玻璃，然后讀數(shù)，假設該值與我們所需值一樣時，此次稱量即算完成。最后取出藥品前先將制動旋鈕制動，然后將天平砝碼歸零。細稱時應注意幾個問題：一、稱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，一張放藥品，且每換一種藥品都要換一次紙。三、每次稱量以“0〞點消失時的數(shù)據(jù)為基準。本過程需要制備BTO粉末2.77g,所需藥品BaCO3和TiO2的量如表2-1所示。表2-1第一次稱量所需藥品質(zhì)量藥品名稱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所稱質(zhì)量〔g〕1.993530.80674粗稱質(zhì)量〔g〕2.51.53.3研磨本實驗在預燒前后有兩次研磨，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。研磨時一定要注意不要讓藥品撒出研缽，同時不要讓雜質(zhì)混入研缽。具體的要求就是研磨時制止說話和走動，在樣品沒有混合均勻前制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，研缽在進展樣品的研磨前一定要進展清洗，一般先用濃硝酸清洗，而后用水清洗，在水分蒸發(fā)完后再用酒精進展清洗，這樣做能減少雜質(zhì)的混入，提高樣品的純度。圖2-3瑪瑙研缽實物圖圖2-4FW-4A型粉末壓片機3.4預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)舟放在管式爐中間的20－30cm處均可。預燒溫度梯度：從室溫120min升溫至800℃，保溫120min，自然降溫至室溫。3.5高溫燒結(jié)制BTO粉體將預燒后樣品研磨充分，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12～13mm、厚度為1.5～2mm的薄片。本實驗所用壓片機為FW-4A型粉末壓片機，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〕，不同的壓力保持時間〔30s、60s、90s、120s、150s、180s〕對各替代樣品的預燒混合物進展壓片，結(jié)果說明,壓片壓力為12MPa、壓力持續(xù)時間為120s左右時，預燒混合物最易壓片成型。壓力過小、持續(xù)時間過短不易成片，樣品松散；壓力過大持續(xù)時間過長，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藏瓶中以待燒結(jié)。本卷須知：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，防止雜質(zhì)的混入。其次要保證所施壓力的均勻性，壓力點必須正對工具的正中心，且要慢慢施加壓力，防止忽快忽慢，聽到一聲響，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成型質(zhì)量。3.7高溫燒結(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20－30cm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4樣品檢測與分析5參考文獻[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展[J].石油化工應用第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