壓電陶瓷材料鈦酸鋇的制備

1、化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：壓電陶瓷材料鈦酸鋇的制備年級：2010級材料化學(xué)日期：2012年9月20日姓名：學(xué)號(hào)：同組人：_一、預(yù)習(xí)部分壓電陶瓷材料是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。屬于無機(jī)非金屬材料，是一種具有壓電效應(yīng)的材料。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能。在能量轉(zhuǎn)換方面，利用壓電陶瓷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置

2、。電子打火機(jī)中就有壓電陶瓷制作的火石，打火次數(shù)可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對金屬進(jìn)行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對塑料甚至金屬進(jìn)行加工。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等。地震是毀滅性的災(zāi)害，而且震源始于地殼深處，以前很難預(yù)測，使人類陷入了無計(jì)可施的尷尬境地。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強(qiáng)度，指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電

3、陶瓷的一大奇功。壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)器，對于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。我們來看一種新型自行車減震控制器，一般的減振器難以達(dá)到平穩(wěn)的效果，而這種ACX減震控制器，通過使用壓電材料，首次提供了連續(xù)可變的減震功能

4、。一個(gè)傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)，如果活塞快速動(dòng)作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速?zèng)_擊，這時(shí)需要啟動(dòng)最大的減震功能；如果活塞運(yùn)動(dòng)較慢，則表示路面平坦，只需動(dòng)用較弱的減震功能。電子陶瓷用鈦酸鋇粉體超細(xì)粉體技術(shù)是當(dāng)今高科技材料領(lǐng)域方興未艾的新興產(chǎn)業(yè)之一。由于其具有的高科技含量，粉體細(xì)化后產(chǎn)生的材料功能的特異性，使之成為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。鈦酸鋇粉體是電子陶瓷元器件的重要基礎(chǔ)原料，高純超細(xì)鈦酸鋇粉體主要用于介質(zhì)陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多層陶瓷電容器、PTC熱敏電阻器件與我們的日常生活密切相關(guān)，如PTC熱敏電阻在冰箱啟動(dòng)器、彩電消磁器、程控電話機(jī)、節(jié)能燈、加熱器等領(lǐng)域有著廣

5、泛的應(yīng)用；MLC多層陶瓷電容在大規(guī)模集成電路方面應(yīng)用廣泛。鈦酸鋇(BaTiO3)是最早發(fā)現(xiàn)的一種具有ABO3型鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的典型鐵電體,它具有高介電常數(shù),低的介質(zhì)損耗及鐵電,壓電和正溫度系數(shù)效應(yīng)等優(yōu)異的電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于制備高介陶瓷電容器,多層陶瓷電容器,PTC熱敏電阻,動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,諧振器,超聲探測器,溫控傳感器等,被譽(yù)為"電子陶瓷工業(yè)的支柱".近年來,隨著電子工業(yè)的發(fā)展,對陶瓷元件提出了高精度,高可靠性,小型化的要求.為了制造高質(zhì)量的陶瓷元件,關(guān)鍵之一就是要實(shí)現(xiàn)粉末原料的超細(xì),高純和粒徑分布均勻.研究可以制備粒徑可控,粒徑分布窄及分散性好的鈦酸鋇粉體材料的方法且

6、能夠大量生產(chǎn)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn).鈦酸鋇是一種電子陶瓷材料。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的欽酸鋇的生產(chǎn)方法是用BaCO3和TIO2按比例混合高溫鍛燒而制得,但此方法BaCO和TIOZ是機(jī)械混和，混和不均勻，反應(yīng)活性差；另有用TIC14和BaC12H2O為原料，用草酸作沉淀劑的化學(xué)共沉淀法，但這種方法需使用價(jià)格較高的TIC14、H2G04等為原料，生產(chǎn)成本高；還有其它一些生產(chǎn)方法,這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn);本文使用欽白粉生產(chǎn)過程中的中間產(chǎn)品偏欽酸為原料,經(jīng)凈化處理,用化學(xué)共沉淀法生產(chǎn)欽酸鋇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,制得的BaTi03粉體純度高(純度>99%）、Ba/Ti符合要求、徑小。鈦酸鋇的制備方法固相合成法固相合成法固

7、相合成法固相合成法是制備BaTiQ粉體最傳統(tǒng)的方法，此方法合成的BaTiQ粉體存在化學(xué)組分不均勻,顆粒較粗,粒徑分布范圍廣等缺點(diǎn),但是近幾年來對于固相法的研究依然在延續(xù).研究了固相法制備的機(jī)理，首次用固相法制備了中空的BaTiQ顆粒.與傳統(tǒng)的固相法不同,他們所采用的工藝是:將粒徑約為1m的BaCO顆粒分散使其懸浮于peroxy-Ti水溶液中，通過沉淀作用在其表面包覆一層無定形TiO2.隨后在700C煅燒，由于核心區(qū)域材料的擴(kuò)散遠(yuǎn)快于外層TiO2的擴(kuò)散,得到的產(chǎn)物仍然能保持BaCO顆粒原來的形貌，形成中空的BaTiQ顆粒.該結(jié)果的取得,豐富了固相法制備的原理.2.1 沉淀法沉淀法，具有方法簡單，

8、材料成本低，設(shè)備投資少，在生產(chǎn)中可以添加摻雜元素，直接制得某種配方的粉體原料，最適用于陶瓷元件的制造。沉淀法是工業(yè)生產(chǎn)鈦酸鋇粉體較為廣泛的一種方法，也是最先商業(yè)化生產(chǎn)的方法。但該方法也存在一些缺點(diǎn)，如難以得到粒徑很小的納米粉體，顆粒容易團(tuán)聚，粒徑分布寬，需要一定的后處理，合成的粉體隨著反應(yīng)條件的微小變化，鈦鋇比波動(dòng)較大，同時(shí)很容易引入BaCO3雜質(zhì)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。草酸鹽共沉淀法草酸鹽共沉淀法是通過化學(xué)方法制備草酸氧鈦鋇,經(jīng)過濾,洗滌,干燥,煅燒制得BaTiO3粉體.是繼固相法后使用較多的一種制備BaTiO3粉體的方法。草酸鹽共沉淀法是一種制備納米BaTiO3的可行方法,通過球磨,兩步法煅燒等

9、工藝,能制備粒徑可控的BaTiO3粉體。2.2 溶劑熱法普通溶劑熱法溶劑熱法是指在密封壓力容器中,以水（或其它液體）作為溶劑（也可以是固相成份之一）,在高溫,高壓的條件下制備材料的一種方法.溶劑熱法的優(yōu)點(diǎn):粉體晶粒發(fā)育完整,粒徑很小且分布均勻;團(tuán)聚程度很輕;可以使用較廉價(jià)的原料等.溶劑熱法是低能耗,低污染,低投入的納米粉體制備方法,產(chǎn)量也較高.但是,溶劑熱法也有一些缺點(diǎn):由于溶劑熱法是在高溫高壓條件下進(jìn)行的,對設(shè)備要求比較高;實(shí)驗(yàn)過程是在密封容器中進(jìn)行的,反應(yīng)前驅(qū)物一旦加入到反應(yīng)容器中,其制備體系中各種組份之間的配比和濃度等參數(shù)就不能改變;實(shí)驗(yàn)過程中不能對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程觀察,也不能在實(shí)驗(yàn)過程

10、中對反應(yīng)體系進(jìn)行隨機(jī)取樣,以分析研究制備過程中體系的變化情況.近年來,溶劑熱法制備BaTiO3引起了廣泛的研究興趣,二、實(shí)驗(yàn)部分（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解壓電陶瓷原料鈦酸鋇的制備方法。2. 了解XRD的測試原理及掌握對合成產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析。（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑電子天平、燒杯、量筒、磁力攪拌器、分液漏斗（2個(gè)），布氏漏斗、抽率瓶、循環(huán)水真空泵，烘箱、溫度計(jì)，濾紙，pH試紙X-衍射儀（三）實(shí)驗(yàn)原理TQI4+H2OTQCI2+2HCITiOCl2+BaCI2+4NaOHBaTiO3J+4NaCI+2H2O該法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以直接得到結(jié)晶鈦酸鋇，通過控制反應(yīng)PH，可以控制產(chǎn)物的粒徑，得到納米級的鈦酸鋇。

11、（四）實(shí)驗(yàn)試劑和儀器儀器：電子天平、燒杯、量筒、磁力攪拌器、分液漏斗（2個(gè)）、布氏漏斗、抽濾瓶、烘箱、溫度計(jì)、濾紙、PH試紙、循環(huán)水真空泵、X衍射儀試劑：氫氧化鈉、氯化鋇、四氯化鈦、聚乙二醇、冰（五）實(shí)驗(yàn)步驟；1、各種溶液配置：BaCI2取O.OImol,TiCI4取O.OIImoI，鈦鋇混合液30mI，氫氧化鈉取4g配成30mI;2、取250ml燒杯，加50ml蒸餾水，加熱到8090C,同時(shí)電磁攪拌；3、氫氧化鈉溶液和鈦鋇混合液近等速同時(shí)加入到燒杯中，整個(gè)過程約20min，同時(shí)保持溫度在8090C,pH大于13;4、反應(yīng)結(jié)束后保溫陳化30min，冷卻陳化2h，過濾洗滌漿料，150C干燥40m

12、in，研磨得到粉體，以備檢測。5、研磨好的粉體，用X衍射儀對樣品進(jìn)行物相鑒定，并在圖譜上標(biāo)出晶面常數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析X衍射儀的測定將研磨好的分體用X衍射儀對制備的樣品進(jìn)行物相測定，所得圖譜:26XRD分析：實(shí)驗(yàn)所得圖譜與標(biāo)準(zhǔn)的鈦酸鋇XRD圖譜基本相同。幾個(gè)強(qiáng)度峰的位置大致在相同的范圍內(nèi)，所以可知該物質(zhì)為鈦酸鋇。但是實(shí)驗(yàn)所得圖譜和標(biāo)準(zhǔn)圖譜有微小差別，在20-30之間出現(xiàn)了兩處不該出現(xiàn)的峰，可知實(shí)驗(yàn)所制備的鈦酸鋇材料中含有一定量的雜質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件且碳酸鋇PDF卡片對比，原料等原因探求，基本上可以確定雜質(zhì)為碳酸鋇。造成含有碳酸鋇雜質(zhì)的原因可能是：制取NaOH容液的時(shí)候吸收的空氣中的CO而生成碳酸鈉溶液，里面含有碳酸根和鋇離子反應(yīng)生成碳酸鋇雜質(zhì)，所以在制取氫氧化鈉溶液是最好現(xiàn)配