固相燒結(jié)法制備鈦酸鋇陶瓷材料課程設(shè)計方案

1、固相燒結(jié)法制備BaTiO3( BTO陶瓷材料1前言 12材料結(jié)構(gòu) 13制備BTO陶瓷材料 33.1實驗簡介 33.2藥品稱量 33.4預(yù)燒 73.5高溫?zé)Y(jié)制BTO粉體 73.6壓片 83.7高溫?zé)Y(jié)制備BTO塊材 84樣品檢測與分析 85參考文獻(xiàn) 9丄 、F亠一1刖言鈦酸鋇是電子陶瓷材料的基礎(chǔ)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(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

2、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材料結(jié)構(gòu)鈦酸鋇是一致性熔融化合物，其熔點為1618C。在此溫度以下, 1460 C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1460130C之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎解}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）則處于八個氧八面體圍成的空隙中（見右圖）。此時的鈦酸 鋇晶體結(jié)構(gòu)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

3、降，晶體的對稱性下降。當(dāng)溫度下降到130C時，鈦酸鋇發(fā)生順電-鐵電相變。在1305°C的溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇為四方晶系 4mn點 群，具有顯著地鐵電性，其自發(fā)極化強(qiáng)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，結(jié)構(gòu)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?？贗 m Erf Cubic fn d 如 of cvbk form t 0, of edbic form卻寸 Pi = Oi * *592010 1C-+035畑祈dinklEMctpl lhat w 時Qi 日、of tetragonal form C of lelrogurw

4、l 愉時 屮 C oi ivirogQnal fwm %嚴(yán)« 4 0121 品爍 卩產(chǎn)oa-4 QH 6* 3-97E1C C eajain 妙So cm 爐72)IT ar- 5-667c* 3-939*5-66®) b*- 5 60于 c - 3 37Ec ci! orltuxtiombrc 曠駒 al Drltorhmbicfor"form當(dāng)溫度下降到5C以下，在5-90 C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(qiáng)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

5、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?，其結(jié)構(gòu)變化也不大 從晶胞來看，相當(dāng)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(dāng)溫度繼續(xù)下降到-90 C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(qiáng)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，其結(jié)構(gòu)變 化也不大。從晶胞來看，相當(dāng)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 °C )，鈦酸鋇共有五種晶體結(jié)構(gòu)，即六 方、立方、四方、單斜、三斜，隨著溫度的

6、降低，晶體的對稱性越來越 低。在130C(即居里點)以上，鈦酸鋇晶體呈現(xiàn)順電性，在130C以下呈現(xiàn)鐵電性。3制備TO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BaCO僑口 TiO2,充分研磨后800C預(yù)燒，研磨后1200C燒結(jié)制備BTO 粉體。冷卻后研磨，加粘結(jié)劑PVC壓片成型，1400C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：粗稱一一干燥一一細(xì)稱，粗稱時只要求樣品質(zhì)量精確到O.OIg,粗稱好的樣品應(yīng)及時放入干燥箱內(nèi) 干燥，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(zhǔn)確性所以

7、要對粗稱后的樣品進(jìn)行干燥處理。本次試驗中干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(shè)置溫度 以及時間。本次試驗要求溫度設(shè)置在120度，烘干兩個小時，烘干時應(yīng)注意以 下兩點：一、干燥樣品前要保證干燥箱內(nèi)清潔無污染，干燥前要用酒精 擦拭干燥箱，若干燥箱長時間不用一定要在不內(nèi)置樣品的情況下干燥半 小時。二、干燥結(jié)束后一定不要立即打開箱蓋，否則樣品會吸附空氣中 的水分，干燥兩個小時后斷電，讓保溫箱的溫度自然冷卻至室溫再取出 樣品。圖2- 1 GHX系列高溫恒溫烘干箱圖 2-2 AB135-S 型電子天平細(xì)稱是本次實驗的最關(guān)鍵

8、部分，它直接影響到樣品的摻雜是否準(zhǔn)確， 進(jìn)一步會影響到實驗的準(zhǔn)確性，所以細(xì)稱時要求我們要嚴(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(xì)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(xì)稱都使用AB135-S型高精度物理分析天平，如圖2-2所示。AB135-S型電子天平精確度達(dá)到 0.00001克，這就保證了實驗的精 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(fēng)。由于天平的精確度很高，微弱的振動甚至大

9、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(xì)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(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。打開天平防風(fēng)玻璃，向吊盤內(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)向下移動時停止加藥品，待 讀數(shù)后再確定所加量。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， 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。

10、細(xì)稱時應(yīng)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(zhǔn)。本過程需要制備 BTO粉末2.77g,所需藥品BaCO刑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(yù)燒前后有兩次研磨，在壓片前有一次研磨，研磨使用如 圖

11、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禁止說話和走動，在樣品 沒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)舟放在管式爐 中間的20- 30cm處均可。預(yù)燒溫度梯

12、度：從室溫120min升溫至800E，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1200E，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1.52mm勺薄片。本實驗所用壓片機(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,不同的壓力保持時間（30s、60s、90s、120s、150

13、s、180s）對 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)時間為120s左右時，預(yù)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)。注意事項：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 必須正對工具的正中心，且要慢慢施加壓力，避免忽快忽慢，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?zé)Y(jié)制備BTO塊材將樣品放入氧化鋁制成

14、的燒結(jié)舟中，并將燒結(jié)舟放在管式爐中間的20 30c m處均可。燒結(jié)溫度梯度：從室溫360min升溫至1400E，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(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.2008,36(6):748-750.4 X-H. Wang, X-Y. De ng, H. Zhou

15、 et al Bulk dense nan ocrystalli ne BaTiO3 ceramics prepared by no vel pressureless two-stepsin teri ng method J.J Electroceram, 2007,5.5 Wei- ling Lua n,Lia n Gao&Jing- Kun Guo. Comparisi ons ofnano structured BaTiO3 powders syn thesized by sol- gel method and sol- precipitation methodJ.Journal of Advaneed Materials,1999,31(4): 37.6 Michael Veit