固相法制备纳米钛酸钡粉体及其陶瓷性能研究

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钛酸钡(BaTiO3,简称BT)作为ABO3型钙钛矿型化合物,是应用最普遍的铁电材料,被称为“电子陶瓷工业支柱”。由于电子元器件不断向微型化、智能化和高性能化等方面发展且随着多层陶瓷电容器(MLCC)尺寸不断减小,介质层厚度不断降低。因而对BaTiO3粉体的颗粒大小、四方相含量、均匀性和分散性等都提出了更高的要求。由于液相法合成的BaTiO3粉体存在羟基缺陷,会严重影响MLCC性能,因此仍然有很多研究者致力于传统固相法制备小尺寸、高质量的BaTiO3粉体研究。本文以Ba(OH)2·8H2O和H2Ti O3为原料,通过传统固相法制备纳米BaTiO3粉体,并对BaTiO3陶瓷进行了介电性能的优化研究。利用热重分析仪、XRD、FTIR、Raman、SEM、XPS、LCR分析仪等表征方法对样品进行了分析。主要研究工作及结果如下:(1)为了改善钛酸钡粉体的纯度与粒度分布,采用高能球磨的方式进行混料,由于H2Ti O3的尺寸小而具有的高活性,无需研磨细化,同时高脆性的Ba(OH)2·8H2O在高能球磨下能够被碾碎,因此可以借助高能球磨碾碎Ba(OH)2·8H2O的同时进行混料,得到Ba(OH)2·8H2O与H2Ti O3的最佳混料时间为8 h。Ba(OH)2较Ba CO3具有较低的分解温度因而Ba原子可以在低温下发生扩散,H2Ti O3的尺寸小使得扩散速率和反应效率显著提升。在此基础上,探究了煅烧温度、H2Ti O3的处理方式、钡钛比、保温时间对产物的影响。得到优化的工艺的参数为:经1000℃保温3 h制备了平均粒径为213 nm、高四方相(c/a=1.0092)的BaTiO3粉体。(2)以上述制备的BaTiO3粉体为原料,探究了γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)添加量对BaTiO3粉体的分散性及介电性能的影响。结果表明KH550会在BaTiO3粉体表面形成双分子层结构,依靠其空间位阻效应,提高BaTiO3粉体的分散性,在依托其含有Si元素的特性从而去调节BaTiO3陶瓷的介电性能。最佳的工艺参数为:经1275℃烧结2 h制备的陶瓷介电性能最优,其在10 k Hz下常温介电常数为4310,介电损耗为0.00695。(3)上述制备的高四方相的钛酸钡粉体因尺寸小而具有高活性,经传统烧结的BaTiO3陶瓷易导致晶粒异常长大。此外,BaTiO3作为一种良好的吸波材料,可采用微波烧结制备陶瓷,由于微波以材料内部振动的方式加热,使得BaTiO3陶瓷受热均匀,因此陶瓷内部缺陷少、不易发生成分偏析。结果表明经1100℃微波烧结2 h的BaTiO3陶瓷,其晶粒尺寸均匀、界面Ba原子偏析少,在10 k Hz下常温介电常数为5688,介电损耗为0.02095。
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