電子材料實(shí)驗(yàn)報(bào)告

鋯鈦酸鋇電子陶瓷材料的制備前言電子陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)等功能為主要特征的陶瓷材料,主要包括壓電、介電、離子導(dǎo)體、超導(dǎo)和磁性陶瓷等。電子陶瓷在小型化和便攜式電子產(chǎn)品中占有十分重要的地位,世界各國(guó)元器件生產(chǎn)企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備方面投入巨資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件問(wèn)世。近年來(lái),在國(guó)家諸多重點(diǎn)科研計(jì)劃的支持和推動(dòng)下,我國(guó)在電子陶瓷材料的科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化方面有很大發(fā)展,但總體來(lái)看,我國(guó)的電子信息產(chǎn)業(yè),特別是一些附加價(jià)值高、技術(shù)含量高的新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎(chǔ)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差距,不少高端產(chǎn)品在相當(dāng)大的程度上被外資企業(yè)所控制。國(guó)外的大公司如日本的村田、松下、京都陶瓷,美國(guó)的摩托羅拉等近年來(lái)長(zhǎng)驅(qū)直入中國(guó)市場(chǎng),目前已占據(jù)了國(guó)內(nèi)片式元器件特別是高檔片式元器件市場(chǎng)相當(dāng)大的份額。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)正面臨著產(chǎn)品升級(jí)換代的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展,電子陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域正在從傳統(tǒng)的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向數(shù)字化的信息產(chǎn)品,包括通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和數(shù)字化音視頻設(shè)備等,數(shù)字技術(shù)對(duì)陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。為了滿足這些要求,世界各國(guó)的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在以信息技術(shù)為應(yīng)用領(lǐng)域的功能陶瓷新材料、新工藝、新產(chǎn)品方面投入巨資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)電子陶瓷材料在電子工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,為高科技發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)繁榮做出了卓越的貢獻(xiàn)。目前這類(lèi)材料的研究領(lǐng)域主要是利用先進(jìn)的材料制備技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善和提高性能。鈦酸鋇BaTi03是一種被普遍研究的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵氧體，因其優(yōu)良的介電性能，在電容器件等方面具有廣泛的應(yīng)用。為了增加介電常數(shù)的可調(diào)性，降低介電損耗，往往通過(guò)摻雜的方法，如用化學(xué)性能更為穩(wěn)定的Zr4+，取代Ti4+，得到鋯鈦酸鋇Ba(Ti0.95Zr0．05)03(BZT)。傳統(tǒng)的燒結(jié)陶瓷方法多采用固相反應(yīng)燒結(jié)。大致分為：熱壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)，微波燒結(jié)，超高壓燒結(jié)，真空燒結(jié)，氣氛燒結(jié)，原位加壓成型燒結(jié)等。本文研究用固相反應(yīng)法燒結(jié)鋯鈦酸鋇壓電陶瓷及其特性分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)采用固相燒結(jié)法，即固體粉末在高溫環(huán)境各自分子擴(kuò)散形成陶瓷化學(xué)結(jié)構(gòu)。一、配料

選用BaCO3不選BaO作為原料的原因是BaCO3分解后納米量子活性強(qiáng).

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式20BaCO3+21ZrO2+19TiO2→20Ba(Zr0.05Ti0.95)O3+20CO2↑

材料的純度分別是99%，99%，99%，計(jì)算得

BaCO333.8748gZrO21.0576gTiO213.0262g

用電子天平稱(chēng)量，精確到小數(shù)點(diǎn)后4位的誤差在0.0005g二、球磨

選用尼龍球磨罐和瑪瑙球磨球，球磨前將球磨罐進(jìn)行擦拭，并依次用自來(lái)水、蒸餾水和酒精清洗。清洗完成后將稱(chēng)量好的粉末倒入球磨罐，放入行星式球磨機(jī)并固定，進(jìn)行球磨12小時(shí)。三、干燥放置一個(gè)的托盤(pán)，在上面蓋上一層塑料袋，將球磨好的漿料取出，把球磨罐的蓋子移開(kāi)一小縫，小心地倒出漿料，注意不要將球磨球倒出，并用蒸餾水沖洗球磨罐，將漿料全部倒出。蓋上托盤(pán)蓋，在一端留一小口四、一次成型

取一研缽和缽杵，用酒精擦拭干凈后，倒入干燥后的漿料，將漿料研磨成粉末。在研好的料上用藥匙挖9個(gè)小坑，用針管抽取由0.5ml的粘合劑與1ml的水配制所需的粘合劑并再次充分研磨到造球的目的。取擦拭干凈的成型模具，取造球后的顆粒倒入模具，放到臺(tái)式粉末壓片機(jī)上壓片，壓力保持在8kpa8秒。再將模具放到油壓千斤頂上，驅(qū)動(dòng)千斤頂，使成型的圓片彈出。將圓片放入研缽研磨成粉末，重復(fù)成型操作。經(jīng)過(guò)2次重復(fù)壓片研磨，第三次的圓片內(nèi)的材料已經(jīng)混合均勻。五、預(yù)燒

將成型的圓片放入爐中預(yù)燒，保持1100℃進(jìn)行燒結(jié)。排除多余雜質(zhì)，并使反應(yīng)充分進(jìn)行。六、粉碎

將預(yù)燒完成的料取出，用干凈的研缽研磨成粉末，并進(jìn)行稱(chēng)量，稱(chēng)量結(jié)果為38.4688g。按摩爾比計(jì)算混合需要CuO和Mn3O4的質(zhì)量，混合比例為CuO0.5%，Mn3O40.5%。計(jì)算得CuO、Mn3O4質(zhì)量分別為CuO：0.065003g，Mn3O4:0.18698g。將稱(chēng)量好的CuO和Mn3O4加進(jìn)粉末中，一起倒入球磨罐。七、二次球磨同第一次球磨。八、烘干同第一次干燥。九、造粒

此次造粒的顆粒有大小要求，需在1~10um之間，所以粉碎時(shí)需要特殊操作。將烘干的原料進(jìn)行研磨，將研磨出的粉末進(jìn)行壓片。取出壓成圓片后的原料，放入研缽，把缽杵穿破一張紙，用紙蓋住研缽，缽杵豎直向下壓圓片，將其壓碎，但不要壓的太過(guò)用力，將研碎的顆粒用二層網(wǎng)孔大小個(gè)不同的篩子篩，將第一層上顆粒較大的原料繼續(xù)研磨篩選，重復(fù)操作。結(jié)束時(shí)需將篩網(wǎng)底層顆粒較小的顆粒收集，后面實(shí)驗(yàn)要用到。十、成型

取出第二層上的原料，進(jìn)行壓片操作，此次壓成的片直徑大約在10mm。十一、燒結(jié)

在圓盤(pán)上到上氧化鋯粉末，挖取與圓片大小相仿的小坑，將圓片放入坑中，再在圓片上撒上之前收集的顆粒較細(xì)的原料顆粒，再蓋上一個(gè)小坩堝，放入爐中燒結(jié)，燒結(jié)與預(yù)燒過(guò)程類(lèi)似，使得陶瓷材料成型。十二、表面金屬化

將燒結(jié)完成的圓片取出，用小棒沾取一滴銀，滴在表面上，用小刷子將銀均勻抹在模子表面，注意邊緣留出0.5mm不涂。兩面都涂上銀后，將圓片在570℃下燒20分鐘。完成后取出成品陶瓷材料。結(jié)果分析與討論電物理結(jié)構(gòu)接下來(lái)我們要做的是測(cè)試所得到的壓電材料。直徑和厚度用游標(biāo)卡尺測(cè)量，得到一個(gè)數(shù)據(jù)直徑：10.12mm厚度1.62mmm。接通電源電橋開(kāi)始自檢，自檢結(jié)束后面板顯示725.7PF，電介質(zhì)損耗為0.0594。電介質(zhì)的介電損耗一般用損耗角正切tanδ表示，復(fù)介電常數(shù)ε=ε'-iε''的虛部與實(shí)部的比值即為介電損耗值，即tanδ=ε''/ε'。電容C=ε0εrs/d（F)其中S為電極的面積，d為介質(zhì)的厚度，εr為介質(zhì)材料的相對(duì)介質(zhì)電常數(shù)。將ε0的值代入就可得C=100εrS/3.6πd(PF)由此得εr=3.6πdC/100s,當(dāng)電極呈圓形，直徑為D米時(shí)介電常數(shù)的計(jì)算公式：εr=1.44dC/100D2。將數(shù)據(jù)代入公式中可得εr=165.3PF/m。那么電容虛部的εr'=9.82PF/m，代入C的計(jì)算公式可得電容的虛部為43.1PF。C實(shí)部：725.7PF，虛部：43.1PFε實(shí)部：165.3PF/m，虛部：9.82PF/m結(jié)構(gòu)通過(guò)儀器測(cè)量可得所求的密度為5.7483，質(zhì)量為6.586。那么Ba（Zr0.05Ti0.95）O3為0.028mol，那么一個(gè)晶格的質(zhì)量為6.586/(1.69*1022)=3.88*10-22g可得多個(gè)晶面的晶粒的大小，那么可以得出一個(gè)密度大致為5.1345。那么相對(duì)密度可以計(jì)算為5.1345/5.7438=90.8%。下一步是角度補(bǔ)正后利用jade5計(jì)算相應(yīng)的晶格常數(shù)，一定要做角度校正。但是這里出現(xiàn)了問(wèn)題，無(wú)法找到合適的譜線。具體的原因無(wú)法找到，可能測(cè)量過(guò)程中存在較大誤差，或者晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致晶粒常數(shù)變化特別大。找過(guò)兩個(gè)版本的教程都無(wú)法做成。這里得到的數(shù)據(jù)是從研究生那里得來(lái)的。相對(duì)密度：90.5%結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：4.0056結(jié)論：一般來(lái)說(shuō)，判斷一個(gè)相是否存在有三個(gè)條件：（1）標(biāo)準(zhǔn)卡片中的峰位與測(cè)量峰的峰位是否匹配，換句話說(shuō)，一般情況下標(biāo)準(zhǔn)卡片中出現(xiàn)的峰的位置，樣品譜中必須有相應(yīng)的峰與之對(duì)應(yīng)，即使三條強(qiáng)線對(duì)應(yīng)得非常好，但有另一條較強(qiáng)線位置明顯沒(méi)有出現(xiàn)衍射峰，也不能確定存在該相，但是，當(dāng)樣品存在明顯的擇優(yōu)取向時(shí)除外，此時(shí)需要另外考慮擇優(yōu)取向問(wèn)題；（2）標(biāo)準(zhǔn)卡片的峰強(qiáng)比與樣品峰的峰強(qiáng)比要大致相同，但一般情況下，對(duì)于金屬塊狀樣品，由于擇優(yōu)取向存在，導(dǎo)致峰強(qiáng)比不一致，因此，峰強(qiáng)比僅可作參考；（3）檢索出來(lái)的物相包含的元素在樣品中必須存在，如果檢索出一個(gè)FeO相，但樣品中根本不可能存在Fe元素，則即使其它條件完全吻合，也不能確定樣品中存在該相，此時(shí)可考慮樣品中存在與FeO晶體結(jié)構(gòu)大體相同的某相。對(duì)于無(wú)機(jī)材料和粘土礦物，一般參考“特征峰”來(lái)確定物相，而不要求全部峰的對(duì)應(yīng)，因?yàn)橐环N粘土礦物中可能包含的元素也可