固相烧结法制备钛酸钡陶瓷材料课程设计.doc

固相烧结法制备BaTiO3（BTO）陶瓷材料

固相烧结法制备BaTiO3（BTO）陶瓷材料

1前言 1
2材料结构 1
3制备BTO陶瓷材料 4
3.1 实验简介 4
3.2 药品称量 4
3.4 预烧 8
3.5 高温烧结制BTO粉体 9
3.6 压片 9
3.7 高温烧结制备BTO块材 10
4样品检测与分析 10
5 参考文献 11

8

1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℃。在此温度以下，1460℃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1460~130℃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O2-(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℃时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在130~5℃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5℃以下，在5~-90℃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℃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(<1618℃)，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130℃（即居里点）以上，钛酸钡晶体呈现顺电性，在130℃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800℃预烧，研磨后1200℃烧结制备BTO粉体。冷却后研磨，加粘结剂PVC，压片成型，1400℃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──干燥──细称，粗称时只要求样品质量精确到001g,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
BaCO3
TiO2
摩尔质量（g/mol）
197.34
79.88
纯度（%）
99.0
99.0
所需量（mol）
0.01
0.01
所需质量（g）
1.9933
0.8068
所称质量（g）
1.99353
0.80674
粗称质量（g）
2.5
1.5

3.3 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 图2-4 FW-4A型粉末压片机

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℃，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1200℃，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1.5～2mm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℃，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.
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