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钛酸钡作为一种性能优良的压电材料,广泛应用于多层电容器、热敏电阻、光电器件等电子元件。本文首先综述了钛酸钡的用途和钛酸钡粉体的各种制备方法,认为微波水热法具有加热速度快,加热均匀无温度梯度、无滞后效应等特点,同时缩短了反应时间,提高了工作效率,是极具发展前景的粉体制备方法。
以钛酸丁酯、氯化钡为主要原料,反应温度60℃~90℃,保温时间5~60min,利用微波水热法可以制备纳米BaTiO3粉体,所得晶相为立方晶系的钙钛矿晶型,粒度为100nm左右。通过对粉体进行XRD、IR、XEDS及TEM、SEM等测试分析,讨论了反应温度、微波反应时间、钡钛比和氢氧化物浓度等对粉体的晶粒度及晶体微观形貌等性能的影响。结果表明,微波水热法制备BaTiO3纳米粉体过程中的主要影响因素顺序为:反应温度、保温时间、前驱物Ba/Ti比和氢氧化物浓度。
升高反应温度、延长保温时间有利于晶体晶面发育和长大。本实验合成BaTiO3粉体的最佳温度为80℃,最佳的反应时间为30min。前驱物Ba/Ti摩尔比对所制备的纳米BaTiO3粉体质量影响显著,本实验合成钛酸钡的最佳前驱物Ba/Ti摩尔比为1.6。随着前驱物Ba/Ti的增加,制得的BaTiO3粉体中的Ba/Ti亦随之增加。当前驱物Ba/Ti≥1.6时,合成产物中的Ba/Ti己基本接近于1。前驱物Ba/Ti过低,不利于BaTiO3粉体的合成,而且影响产物的结构和性能。随着反应前驱物碱度的提高,BaTiO3合成产物的峰值相应升高,所制备的粉体结晶性越好。但前驱物碱度越高,粉体中的杂质BaCO3也越多;而且碱度越高,原料BaCl2的利用率越低,所以本实验合成BaTiO3粉体中NaOH浓度取2.0M。采用盐酸洗涤会使制备的BaTiO3粉体表面的Ba2+溶出,破坏粉体的晶相结构,而采用冰醋酸则影响较小。
讨论了微波水热法制备纳米钛酸钡粉体过程中晶核的形成与生长机理,在本研究体系中BaTiO3粉体形成的机理为溶解—沉淀机制。反应初期,原料Ba(OH)2和Ti(OR)4分别离解或转化为Ba2+和Ti(OH)62-。当二者均达到过饱和时,便相互作用形成BaTiO3晶核,晶核吸附周围的生长基元延续晶体的生长。晶体的生长速度决定于生长基元的扩散速度及其在晶体表面的转移与重排作用,而扩散速度又决定于各质点的过饱和度、浓度梯度等因素过程。
对所制备钛酸钡粉体的评价:所制备的粉体物相单一,为立方钛酸钡晶相;晶粒粒度在100nm左右;粉体晶粒近似为球形,粒度分布范围较窄,纯度高,团聚少,分散性好。
与传统水热法进行比较,微波水热法可大大缩短反应时间,因而提高了反应效率。随着反应温度和时间的降低,抑制了钛酸钡晶粒的长大与团聚,同时微波加热方式可明显节约能耗,为粉体的产业化提供了便利。粉体的制备工艺简单,提高了水热合成法的工作效率。