溶胶-凝胶法制备ba

溶胶-凝胶法制备ba

钛酸铵（baxsr1-xtio3，bst）是一种完全固体的铁电材料，具有高容量、低介电损失和耐劳性的特点。通过调整成分中的钙和钙的比例，可以在特定范围内调整入渗温度。这对于促进器官的广泛应用非常重要。这是目前新材料研究的向前和热点之一。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备BST材料的传统工艺主要是以醋酸钡、醋酸锶和钛酸四丁酯为原料,成本较高。文献报道了使用部分碳酸盐替代醋酸盐制备BST薄膜技术。选用碳酸盐作原料有利于降低环境污染和生产成本。本文利用碳酸锶和碳酸钡分别替代醋酸锶和醋酸钡,采用Sol-Gel法制备了Ba0.6Sr0.4TiO3纳米粉体,并将粉体干压成型后烧结成瓷,对其显微结构和介电性能进行了测试分析。1实验1.1ba0.6r0.4tio3凝胶的制备选取Ba0.6Sr0.4TiO3作为研究对象,按此化学组分进行试样制备。将分析纯碳酸钡和碳酸锶按摩尔比6∶4溶于适量摩尔分数为40%(分析纯)的冰醋酸,并在磁力搅拌器上搅拌至混合液澄清;将对应量的分析纯钛酸四丁酯和无水乙醇按摩尔比1∶6混合,并在常温下于磁力搅拌器上搅拌。然后在剧烈搅拌及室温的条件下,将含Ba2+、Sr2+的液体慢慢加入含Ti4+的液体中,继续搅拌0.5h即可得清澈的Ba0.6Sr0.4TiO3溶胶。将溶胶水浴加热至胶凝化后,放入干燥箱中恒温70℃,干燥得到Ba0.6Sr0.4TiO3干凝胶。将干凝胶在玛瑙研钵中充分研细后取少量进行DTA-TG分析,并根据分析结果确定了凝胶的晶化热处理温度为750℃。取少量Ba0.6Sr0.4TiO3粉体做粒度测量,并将制备的粉体在200MPa下压制成Ø20mm的试片,分别在1300℃和1330℃下保温2h烧结成瓷。制备好的样品镀金膜后进行SEM观察并测试其介电性能。1.2煅烧后粉末物相的变化采用瑞士梅特勒-托利多公司的TGA822e型DTA-TG分析仪分析Ba0.6Sr0.4TiO3干凝胶的晶化过程,采用空气气氛,升温速度为10℃/min;用日本理学D/max-rB型XRD对煅烧后粉末的物相进行了分析;采用日本JEOL公司的JSM-6390LV型SEM观察了烧结体的显微结构;采用TH2819型LCR测试仪和GDS-100型高低温湿热实验箱对Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷的介电性能进行了测试。2结果与讨论2.1材料的热处理和晶化图1为Ba0.6Sr0.4TiO3凝胶的DTA-TG曲线,由图可见,凝胶的演化过程大体可分为3个阶段:(1)在300℃以下,在100℃和300℃附近存在吸热峰,主要包括吸附水和结晶水的挥发以及醋酸盐的分解,该过程约有15%的失重。(2)在300～650℃间,约有20%的失重,存在多个放热峰,凝胶中的有机功能团此时与空气中的氧气反应,放出CO2、H2O和热量,该阶段反应较复杂,主要是有机功能团烧掉的过程。(3)在650℃以上,此阶段的失重主要与由部分有机物残渣的烧除和部分无机盐的分解有关,其中约在740℃的放热峰则由BST的晶化引起。根据图1确定了Ba0.6Sr0.4TiO3干凝胶的热处理温度为750℃。图2为干凝胶在750℃煅烧1h后得到粉体的XRD谱。由图可见,在750℃保温1h的样品即可晶化为完全的钙钛矿相结构。选择最强峰应用Scherrer公式计算其平均晶粒大小为20nm。2.2烧结体的晶粒形貌用阿基米德排水法测量试样密度,烧结温度为1300℃和1330℃样品的相对密度分别达到了93.4%和97.1%。不同温度下Ba0.6Sr0.4TiO3烧结体样品的晶粒形貌照片如图3所示,由图可见,烧结温度为1300℃和1330℃样品的晶粒平均尺寸分别约为0.8μm和稍大于1μm。用固相法合成的BST块体材料,烧结温度在1380～1400℃,可以看出,通过Sol-Gel法制备的粉料颗粒较细,烧结活性得到提高,烧结温度可降至约1300℃,从而降低温度过高导致晶粒过度长大的情形。2.3烧结温度对材料的散射行为的影响图4为1300℃和1330℃烧结得到的样品在10kHz下介电常数和介电损耗随温度的变化曲线。由图可见,烧结温度为1300℃和1330℃样品的居里温度分别为-10℃和-5℃,即随样品晶粒尺寸的减小,居里温度向负温方向有移动。样品的介电常数峰值随样品平均晶粒尺寸的减小而降低,且出现介电常数峰宽化的趋势,具有弥散相变的特征。Uchino和Nomura将这种弥散相变用一个修正的Curie-Weiss定律来描述:1εr(T)−1εmax=(T−Tmax)γ2εmaxσ2(1≤γ≤2)(1)1εr(Τ)-1εmax=(Τ-Τmax)γ2εmaxσ2(1≤γ≤2)(1)式中εmax为介电常数峰值;Tmax为εmax对应的温度;σ为相变温度分布的宽度;γ用来描述材料的弥散相变程度,称为弥散指数,γ=1时,式(1)即为经典的Curie-Weiss定律,γ=2,则对应完全弥散相变状况。由式(1)进行计算,结果如表1所示。结果表明,该材料的γ随烧结温度的提高呈降低趋势;εmax则随烧结温度的提高而增大。由图4(b)可见,随着致密度的提高,介电损耗大幅降低;烧结温度为1330℃的样品的介电损耗已降低到0.01内,尤其是在室温附近降低到约0.002;且两种样品的介电损耗随温度变化的稳定性较好,这在材料的实际应用中有意义。BST的介电常数随外加直流电场的变化关系是实际应用中的一个重要性能参数。图5为样品的介电常数随电场的变化关系。由图可见,15℃下在外加场强为10kV/cm时,烧结温度为1300℃和1330℃样品的可调性分别为65%和62%,且介电常数随电场强度的增加均减小。考虑到该材料同时具有温度稳定性良好的低介电损耗,可以看出该材料具有良好的介电综合性能。3烧结温度对ba0.7.4tio3陶瓷的影响(1)以低成本的碳酸钡、碳酸锶分别取代醋酸钡、醋酸锶为原料,采用Sol-Gel法制备出平均晶粒大小为20nm的立方相Ba0.6Sr0.4TiO3粉体,该技术路线可降低生产成本和环境污染。(2)该技术路线制备的纳米粉体可在1300～1330℃下烧结出相对密度为93.4%～97.1%的Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷,比传统固相法烧结温度约低50～100℃。(3)烧结温度为1330℃样品的介电损耗在室温附近可降低到约0.002,且温度稳定性良好。随烧结体晶粒平均尺寸的降低,居里温度向负温方向移动,介电峰呈弥散相变现象,烧结温度为1300℃和1330℃样品的弥散指数分别为1.64和1.61。(4)