《固相燒結(jié)法制備鈦酸鋇陶瓷材料課程設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《固相燒結(jié)法制備鈦酸鋇陶瓷材料課程設(shè)計(jì)（10頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 0 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 1 前言 1 2 材料結(jié)構(gòu) 1 3 制備 BTO 陶瓷材料 4 3 1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 4 3 2 藥品稱量 4 3 4 預(yù)燒 8 3 5 高溫?zé)Y(jié)制 BTO 粉體 9 3 6 壓片 9 3 7 高溫?zé)Y(jié)制備 BTO 塊材 10 4 樣品檢測(cè)與分析 10 5 參考文獻(xiàn) 11 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 0 1 前言 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(cè) 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(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)之一 2 材料結(jié)構(gòu) 鈦酸鋇是一致性熔融化合物 其熔點(diǎn)為 1618 在此溫度以下 1460 以上結(jié)晶出來 的鈦酸鋇屬于非鐵電 的六方晶系 6 mmm 點(diǎn) 群 此時(shí) 六方晶系 是穩(wěn)定的 在 1460 130 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 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 1 面體中央 Ba2 鋇離子 則處于八個(gè)氧八面體圍成的空隙中 見右圖 此時(shí)的鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性極高 因此無偶極矩產(chǎn)生 晶體無鐵電性 也無壓電性 隨著溫度下降 晶體的對(duì)稱性下降 當(dāng)溫度下降到 130 時(shí) 鈦 酸鋇發(fā)生順電 鐵電相變 在 130 5 的溫區(qū)內(nèi) 鈦酸鋇為四方晶系 4mm 點(diǎn)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(shí) 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(zhǎng) 而沿另兩軸縮短 當(dāng)溫度下降到 5 以下 在 5 90 溫區(qū)內(nèi) 鈦酸鋇晶體轉(zhuǎn)變成正 交晶系 mm2 點(diǎn)群 此時(shí)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(duì)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(duì)角線伸長(zhǎng)了 另一根面 對(duì)角線縮短了 c 軸不變 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 2 晶相轉(zhuǎn)變 當(dāng)溫度繼續(xù)下降到 90 以下時(shí) 晶體由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿本?3m 點(diǎn)群 此時(shí)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(duì)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(duì)角線伸長(zhǎng)了 另一根體對(duì)角線縮短了 綜上所述 在整個(gè)溫區(qū) 1618 鈦酸鋇共有五種晶體結(jié)構(gòu) 即 六方 立方 四方 單斜 三斜 隨著溫度的降低 晶體的對(duì)稱性越來 越低 在 130 即居里點(diǎn) 以上 鈦酸鋇晶體呈現(xiàn)順電性 在 130 以下呈現(xiàn)鐵電性 3 制備 BTO 陶瓷材料 3 1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 本試驗(yàn)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 BaCO3 和 TiO2 充分研磨后 800 預(yù)燒 研磨后 1200 燒結(jié)制備 BTO 粉體 冷卻后研磨 加粘結(jié)劑 PVC 壓片成型 1400 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(gè)步驟完成的 粗稱 干燥 細(xì)稱 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 3 粗稱時(shí)只要求樣品質(zhì)量精確到 0 01g 粗稱好的樣品應(yīng)及時(shí)放入干燥箱 內(nèi)干燥 粗稱的樣品可能被長(zhǎng)時(shí)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性所以要對(duì)粗稱后的樣品進(jìn)行干燥處理 本次試驗(yàn)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(shí)間 本次試驗(yàn)要求溫度設(shè)置在 120 度 烘干兩個(gè)小時(shí) 烘干時(shí)應(yīng)注意以 下兩點(diǎn) 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(zhǎng)時(shí)間不用一定要在不內(nèi)置樣品的情況下干燥半 小時(shí) 二 干燥結(jié)束后一定不要立即打開箱蓋 否則樣品會(huì)吸附空氣中 的水分 干燥兩個(gè)小時(shí)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 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 4 細(xì)稱是本次實(shí)驗(yàn)的最關(guān)鍵部分 它直接影響到樣品的摻雜是否準(zhǔn)確 進(jìn)一步會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性 所以細(xì)稱時(shí)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(shí)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(duì)樣品密封妥善保管 本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的精 確性與可信度 稱量時(shí)對(duì)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(gè)安靜而穩(wěn)定 的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上 而且要避風(fēng) 由于天平的精確度很高 微弱的振動(dòng)甚至大 聲說話都能使天平失去平衡 穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)能為稱量提供一個(gè)相對(duì)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(gè)調(diào)節(jié)旋鈕來實(shí)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(dòng)時(shí)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(shí) 此次稱量即算完成 最后取出藥品前先將制動(dòng)旋鈕制動(dòng) 然后將天平砝碼歸零 細(xì)稱時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問題 一 稱量前要用濕抹布擦拭桌面 保持桌面干凈 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 5 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(diǎn)消失時(shí)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 BaCO3 和 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 BaCO3 TiO2 摩爾質(zhì)量 g mol 197 34 79 88 純度 99 0 99 0 所需量 mol 0 01 0 01 所需質(zhì)量 g 1 9933 0 8068 所稱質(zhì)量 g 1 99353 0 80674 粗稱質(zhì)量 g 2 5 1 5 3 3 研磨 本實(shí)驗(yàn)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 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(shí)一定要注意不要讓藥品撒出研缽 同時(shí) 不要讓雜質(zhì)混入研缽 具體的要求就是研磨時(shí)禁止說話和走動(dòng) 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 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 6 圖 2 3 瑪瑙研缽實(shí)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)燒溫度梯度 從室溫 120min 升溫至 800 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 1200 保溫 24h 自然降 溫至室溫 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 7 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 5 2mm 的薄片 本實(shí)驗(yàn)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(shí)間 30s 60s 90s 120s 150s 180s 對(duì)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(shí)間為 120s 左右時(shí) 預(yù)燒混合物最易壓片成型 壓力過小 持續(xù)時(shí)間過短不易成片 樣品松 散 壓力過大持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng) 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(chǔ)藏瓶中以待燒結(jié) 注意事項(xiàng) 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(diǎn) 必須正對(duì)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 360min 升溫至 1400 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(cè)與分析 固相燒結(jié)法制備 BaTiO3 BTO 陶瓷材料 8 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(zhǎng)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(bào) 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 method J Journal of Advanced Materials 1999 31 4 3 7 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 routes J Journal of Sol Gel Science and Technology 2000 15 14 158