固相烧结法制备钛酸钡陶瓷材料课程设计方案.docx

固相烧结法制备BaTiO3 (BTO)陶瓷材料1前言12材料结构13制备BTO陶瓷材料33.1实验简介33.2药品称量33.4预烧73.5高温烧结制BTO粉体73.6压片83.7高温烧结制备BTO块材84样品检测与分析85参考文献91前言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、形貌的研究一直是国 内外关注的焦点之一。2材料结构钛酸钡是一致性熔融化合物，其熔点为1618 °C。在此温度以下， 1460 C以上结晶出来 的钛酸钡属于非铁电 的六方晶系6/mmm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130°C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4mm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，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mm2点群，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。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(<1618C)，钛酸钡共有五种晶体结构，即六 方、立方、四方、单斜、三斜，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130C以下 呈现铁电性。3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BaCO3和TiO2,充分研磨后800C预烧，研磨后1200C烧结制备BTO 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：粗称一干燥一细称，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 2-2 AB135-S 型电子天平细称是本次实验的最关键部分，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，然后将天平砝码归零。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BaCO3和TiO2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）2.51.53.3研磨本实验在预烧前后有两次研磨，在压片前有一次研磨，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，一般先用浓硝酸清洗，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 片机图2-4 FW-4A型粉末压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1.52mm的薄片。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、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1400°C，保温6h，自然降温 至室温即可得BTO陶瓷材料样品4样品检测与分析5参考文献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 dense nanocrysta lline BaTiO3 ceramics prepared by novel pressureless two-step sintering method J.J Electroceram, 2007,5.5 Wei- ling Luan,Lian Gao&Jing- Kun Guo. Comparisions of nanostructured BaTiO3 powders synthesized by sol- gel method and sol- precipitation methodJ. Journal of Advanced Materials, 1999,31(4): 37.6 Michael Veith, Sanjay Mathur %Nicolas Lecerf et al . Sol- ge Synthesisof nano-scaled BaTiO3, BaZrO3and BaTi0.5Zr0.5O3 oxide via single-source alkoxide precursors and semi - alkoxid routesJ. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2000, 15: 14158.