固相烧结法制备钛酸钡陶瓷材料

1、固相烧结法制备BaTiO3 （BTO陶瓷材料钛酸钡是电子陶瓷材料的基础原料， 被称为电子陶瓷业的 支柱。它具有高介电常数、低介电损耗、优良的铁电、压电、 耐压和绝缘性能，被广泛的应用于制造陶瓷敏感元件，尤其是正温度系数热敏电阻（ptc）、多层陶瓷电容器（MLccs）、热电 元件、压电陶瓷、声纳、红外辐射探测元件、晶体陶瓷电容器、 电光显示板、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等。钛酸 钡具有钙钛矿晶体结构，用于制造电子陶瓷材料的粉体粒径一 般要求在100nm以内。因此BaTiO3粉体粒度、形貌的研究一 在此温度以下，1460C以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六 方晶系6/mmn直是国内外关注的

2、焦点之一。1材料结构钛酸钡是一致 性熔融化合物，其 熔点为1618C。点 群。此时，六方晶 系是稳定的。在 1460130C之间钛 酸钡转变为立方钙 钛矿型结构。在此结构中Ti4+（钛离子）居于02-（氧离子）构成 的氧八面体中央，Ba2+（钡离子）则处于八个氧八面体围成的空 隙中（见右图）。此时的钛酸钡晶体结构对称性极高，因此无 偶极矩产生，晶体无铁电性，也无压电性。随着温度下降，晶体的对称性下降。当温度下降到130C 时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在1305C的温区内，钛酸 钡为四方晶系4mn点群，具有显著地铁电性，其自发极化强度 沿 c 轴方向，即 001 方向。钛酸钡从立方晶系转变为四

3、方晶 系时，结构变化较小。从晶胞来看，只是晶胞沿原立方晶系的 一轴（c轴）拉长，而沿另两轴缩短。当温度下降到5C以下，在5-90C温区内，钛酸钡晶体 转变成正交晶系mm2群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极 化强度沿原立方晶胞的面对角线 011 方向。为了方便起见， 通常采用单斜晶系的参数来描述正交晶系的单胞。 这样处理的 好处是使我们很容易地从单胞中看出自发极化的情况。 钛酸钡 从四方晶系转变为正交晶系， 其结构变化也不大。 从晶胞来看， 相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了， 另一根面对角线缩 短了， c 轴不变。Or 恤 hoflibic -z丁肌财olor2bsin/2)(T 35661

4、 工注侧9 fa- $660曲-9tf b-5-683 厂 3576Oj*C ofcrNtQfMx fori* Oj- Oj c*f ffttwhombic 亦 r_ *0itfj*399SA tf-69* 52.5*晶相转变当温度继续下降到-90 C以下时，晶体由正交晶系转变为 三斜晶系3m点群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度 方向与原立方晶胞的体对角线111方向平行。钛酸钡从正交 晶系转变成三斜晶系，其结构变化也不大。从晶胞来看，相当 于原立方晶胞的一根体对角线伸长了，另一根体对角线缩短 了。综上所述，在整个温区（1618 C），钛酸钡共有五种晶体结构，即六方、立方、四方、单斜、三斜

5、，随着温度的降低，晶体的对称性越来越低。在130C（即居里点）以上，钛酸钡 晶体呈现顺电性，在130 C以下呈现铁电性。2制备BTO陶瓷材料3.1 实验简介本试验采用固相烧结法制备 BaTiO3 陶瓷材料 , 所需药品 为一定质量的BaCO3ffi TiO2,充分研磨后800C预烧，研磨后 1200C烧结制备BTO粉体。冷却后研磨，加粘结剂 PVC压片 成型，1400C烧结。冷却后制得样品。3.2 药品称量每种药品的称量按以下三个步骤完成的：粗称干燥一细称，粗称时只要求样品质量精确到0.01g,粗称好的样品应及时放入干燥箱内干燥，粗称的样品可能被长时间放置过， 药品内可能物理吸附了一定量的水分

6、， 为了保证实验的准确性 所以要对粗称后的样品进行干燥处理。 本次试验中干燥使用高 温恒温烘干箱 GHX 系列, 如图 21 所示。按下底座左下方的绿色按钮后，通过箱盖上的SET按钮以及表盘可以设置温度以 及时间本次试验要求温度设置在120度，烘干两个小时，烘干时 应注意以下两点：一、干燥样品前要保证干燥箱内清洁无污染， 干燥前要用酒精擦拭干燥箱，若干燥箱长时间不用一定要在不 内置样品的情况下干燥半小时。二、干燥结束后一定不要立即 打开箱盖，否则样品会吸附空气中的水分，干燥两个小时后断 电，让保温箱的温度自然冷却至室温再取出样品。图2-2图2- 1 GHX系列高温恒温烘干箱AB135-S型电子

7、天平细称是本次实验的最关键部分，它直接影响到样品的掺杂 是否准确， 进一步会影响到实验的准确性， 所以细称时要求我 们要严格按照天平上标注的使用方法进行， 并且要保证换样品 称量时要更换称量纸并且用酒精清洗药匙、 镊子、称量瓶等用 具，并详细登记所称质量， 称量完毕后仍要对样品密封妥善保 管，本次实验中粗称和细称都使用 AB135-S型高精度物理分析 天平，如图 2-2 所示。AB135-S型电子天平精确度达到0.00001克，这就保证了 实验的精确性与可信度。 称量时对操作者的熟练程度有很高的 要求：首先，要保持双手的清洁，以防止污染样品；其次，要 把天平放在一个安静而稳定的实验台上， 而且

8、要避风。 由于天 平的精确度很高， 微弱的振动甚至大声说话都能使天平失去平 衡，稳定的实验台能为称量提供一个相对稳定的工作环境。 具 体的操作细则如下：天平使用前要先调平。 也就是让天平处于水平状态， 通过 调节天平底座下面的三个调节旋钮来实现， 标准是让天平上面 的水平仪中的水泡居中。天平使用前要调零。 调节天平右后面的调零旋钮让光标指 零，若不能指零可调节里面的平衡螺母让光标指零。打开天平防风玻璃， 向吊盘内添加药品， 添加的准确程度 主要与操作者的熟练程度有关。 当发现视野中的光标向下移动 时停止加药品，待读数后再确定所加量。加完药品后合上挡风玻璃，然后读数，若该值与我们所需 值相同时，

9、此次称量即算完成。最后取出药品前先将制动旋钮制动，然后将天平砝码归J | A零。细称时应注意几个问题：一、称量前要用湿抹布擦拭桌面，保持桌面干净。二、桌上放两张白纸，一张放药匙，一张放药品，且每换 一种药品都要换一次纸。三、每次称量以“ 0”点消失时的数据为基准。本过程需要制备 BTO粉末2.77g,所需药品BaCO寄口 Ti02的量如表2-1所示。表2-1第一次称量所需药品质量药品名称BaCO3TiO2摩尔质量（g/mol）197.3479.88纯度（%99.099.0所需量（mol）0.010.01所需质量（g）1.99330.8068所称质量（g）1.993530.80674粗称质量（g

10、）2.51.53.3研磨本实验在预烧前后有两次研磨，在压片前有一次研磨，研 磨使用如图2-3所示的玛瑙研钵，研磨目的是为了将各种药品 混合均匀，并且让药品的颗粒尺寸足够小。 研磨时一定要注意 不要让药品撒出研钵，同时不要让杂质混入研钵。具体的要求 就是研磨时禁止说话和走动，在样品没有混合均匀前禁止用药 匙等其他物品搅拌，这样做是为了保证比例的稳定性， 提高样 品的纯度。另外，研钵在进行样品的研磨前一定要进行清洗，般先用浓硝酸清洗，而后用水清洗，在水分蒸发完后再用酒精进行清洗，这样做能减少杂质的混入，提高样品的纯度。图2-3玛瑙研钵实物图图 2-4 FW-4A型粉末压片机3.4预烧研磨后将样品放

11、入氧化铝制成的烧结舟中， 并将烧结舟放 在管式炉中间的20-30cm处均可。预烧温度梯度：从室温120min升温至800 C,保温120min, 自然降温至室温。3.5高温烧结制BTO粉体将预烧后样品研磨充分, 放入氧化铝制成的烧结舟中, 并 将烧结舟放在管式炉中间的20-30cm处均可。烧结温度梯度：从室温240min升温至1200C,保温24h, 自然降温至室温3.6 压片烧结后的样品重新研磨，加适量粘结剂 PVC将其压成直 径为12 13mm厚度为1.5 2mnfi勺薄片。本实验所用压片机 为FW-4A型粉末压片机，如图2-4所示：我们分别采用不同压力（分别为 8Mpa、 10Mpa、

12、12Mpa、12Mpa 12Mpa 12Mpa,不同的压力保持时间（30s、60s、90s、120s、150s、180s ）对各替代样品的预烧混合物进行压片，结 果表明，压片压力为12MPa压力持续时间为120s左右时，预 烧混合物最易压片成型。压力过小、持续时间过短不易成片, 样品松散；压力过大持续时间过长,样品容易产生裂纹,易破 碎。压片完成后把样品包装好放入储藏瓶中以待烧结。注意事项： 首先要做好压片模具的清洁工作， 这样可以保 证待压片样品的纯度， 避免杂质的混入。 其次要保证所施压力 的均匀性，压力点必须正对工具的正中心， 且要慢慢施加压力， 避免忽快忽慢，听到一声响，即表示压片完成

13、(在工具底部要 放上最干净的棉花) ，这样可以提高样品的成型率和成型质量。3.7高温烧结制备BTO块材将样品放入氧化铝制成的烧结舟中， 并将烧结舟放在管式 炉中间的20-30cm处均可。烧结温度梯度：从室温360min升温至1400C，保温6h, 自然降温至室温即可得BTO陶瓷材料样品3参考文献1 续 京, 张 杰 . 电子陶瓷材料纳米钦酸钡制备工艺的 研究进展 J. 石油化工应用 第 28 卷 第 1 期 2009年 2 月2 李宝让 , 王晓慧 , 韩秀全 , 等 . 放电等离子法烧结BaTiO3纳米晶J.压电与声光.2005,27(1):43-46.3 肖长江,靳常青,王晓慧.高压烧结纳

14、米钛酸钡陶瓷的 结构和铁电性 J. 硅酸盐学报 .2008,36(6):748-750.4 X-H. Wang, X-Y. Deng, H. Zhou et al Bulk dense nanocrysta lline BaTiO3 ceramics prepared by novel pressureless 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. 6 Michael Veith, Sanjay