水热法制备钙掺杂钛酸钡纳米粉体及其介电性能研究

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钛酸钡是电子陶瓷中使用最广泛的材料,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。随着近年来5G技术和新能源汽车的发展,对钛酸钡材料的工作温度上限和高温温度稳定性提出了更高的要求,钙掺杂的钛酸钡恰好可以解决这些问题。由于固相法制备的钙掺杂钛酸钡粉体的粒径较大等问题,难以满足电子元器件对于小型化、高性能的需求,因此许多学者致力于液相法的研究。本文采用水热法对钙掺杂钛酸钡纳米粉体进行了制备研究,并探究了钙掺杂对钛酸钡陶瓷及其介电性能的影响。利用XRD、SEM、LCR等方法对样品进行了分析表征,主要研究工作及结果如下:(1)以BaCl2·H2O、CaCl2和高活性且廉价的H2Ti O3为原料,KOH为矿化剂,采用水热法分别制备了粒径基本相同的钛酸钡和钛酸钙纳米粉体,通过分别探究钛酸钡和钛酸钙纳米粉体的水热合成规律,结合两者的制备参数,优化制备工艺,制备了钛酸钙钡纳米粉体,探究了不同反应条件如反应温度、反应时间、矿化剂浓度等对粉体制备的影响。结果表明:当水热反应条件采取温度为210℃,矿化剂浓度为3 mol/L,反应时间为22 h时,制备的钛酸钙钡纳米粉体结晶性好、晶粒发育完整、均匀分散、粒径细小(110±20 nm)。(2)从宏观和微观角度对钛酸钡纳米粉体进行了钙掺杂,将水热法制备的钛酸钡和钛酸钙纳米粉体按一定比例混合,制备了第一种钙掺杂钛酸钡纳米粉体;第二种为水热制备的钛酸钙钡纳米粉体。将两种掺杂粉体制成陶瓷,探究了钙掺杂对钛酸钡陶瓷及其介电性能的影响。结果表明,以5℃/min的升温速率,在600℃保温排胶4h,在1250℃保温烧结2 h,可以得到结晶致密,平均晶粒尺寸约为1μm,符合钛酸钡陶瓷晶粒尺寸效应优化条件的陶瓷。随着钙掺杂量的增加,两种掺杂粉体制备的陶瓷的介电居里峰均向高温方向移动并且展宽、降低,在掺杂比例为9%时达到最大。此时,10 k HZ条件下,由第一种掺杂粉体制得的陶瓷的居里温度为139.2℃,常温下的介电常数和介电损耗分别为2343和0.0259;第二种的居里温度为136.2℃,常温介电常数和介电损耗分别为1852和0.0197。钙的掺杂提高了钛酸钡的居里温度,改善了钛酸钡的温度特性。
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