固相烧结法制备钛酸钡陶瓷材料

1、1材料结构固相烧结法制备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

2、是国内外关注的焦点之一。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方晶 系时

3、，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mm庶群，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。CubicCubic4TelrajoooiTelrawnoi 01 of aiic forfii no M

4、cubic form/CwOj of cubic form/饉咄卩计伽R ms血山如 ofaiicfoim亚 of cubic termC，砌 of cubic format 150whR = 4022HtMofiqciliflCExcept that ci严叶 q = W 时 letragwl fern c = 吨曲(elrflnal form 07c5csc of艳怖盟迅惋那Q.-aa3509Orlhoriiombtc 厂曲；Iati2 = 399ZdO1( = 4-035庁pl廿3殛 _J 曲 tc-4 035c c能岔Sin開/ bf=也 as 02) C 5-667it*tf 1bJ

5、- 5681 2989 呼她 of-90 Jb5683 It = 3 976沪衬51畐 片*广中OC c=3-lof cxftxxtKxnbk forffi a3=Oj orthorhombic fom 心J鷲蹙嗣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，

6、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BTC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，为了保

7、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2- 1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- 1 GHX系列高温恒温烘干箱图2-2AB135-S型电子天平细称是本次

8、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，而且要避风。由于天平的精确度很高，微弱的振动

9、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，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

10、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）研磨本实验在预烧前后有两次研磨，在压片前

11、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

12、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 12Mpa、 12Mpa 12Mpa 12Mpa,不同的压力保持时间（30s

13、、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(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

14、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 den senanocrystalline BaTiO3 ceramics prepared by novelpressureless two-stepsin teri ngmethodJ .JElectroceram, 2007,5.5 Wei- lingLuan,LianGao&Jing- Kun Guo.Comparisi onsofnano structuredBaTiO3 powderssyn thesized by sol- gel method and sol- precipitati on method. Jour