水热合成钛酸钡粉体的颗粒特征及陶瓷性能研究

摘要

BaTiO3(简称BT)粉体的晶相结构、粒径、形貌和分散性是表征其质量的重要指标,对其陶瓷的烧结与性能有着重要影响。为了获得纯度高、粒径尺寸小、分散性好的优质BT粉体,本文以Ti(C4H9O)4-Ba(OH)2·H2O-NH4OH体系为基础,研究了水热合成工艺条件及分散剂的应用对BT粉体颗粒特征的影响,对不同钛源合成的BT粉体的颗粒特征进行了比较,探讨了BT晶体的相变机理。采用掺杂技术,研究了粉体预处理条件及微量组分Sr、Y和Mn对BT陶瓷的烧结和介电性能的影响,并分析了其作用机理。研究结果如下:
　　 本研究在纯水介质中,利用Ti(C4H9O)4-Ba(OH)2·H2O-NH4OH体系水热合成BT粉体的研究表明:采用制备前驱体工艺得到的BT晶体比不制前驱体得到的晶体结晶完整,杂质相少;升高反应温度可促进晶体生长,使合成BT粉体颗粒的粒径增大,且BT晶体的四方化程度升高;提高反应物Ba/Ti比或增大介质浓度,可以提高反应体系的初始过饱和度,使成核速率加快,有利于获得粒径较小的BT粉体;延长反应时间使晶体生长更加充分,晶粒尺寸增大;煅烧温度一定时,升高水热反应过程的温度、延长反应时间或提高反应物Ba/Ti比,有利于BT晶体由立方相向四方向转变,而提高介质浓度使BT晶体的四方化转变困难;提高煅烧温度有利于BT晶体由立方相向四方相转变。对几种不同钛源合成的BT粉体的分析研究表明,以钛酸四丁酯(Ti(C4H9O)4)作钛源且制备前驱体工艺得到的BT粉体粒径最小,在一定的煅烧温度下,其四方化程度最高,TiCl4次之,TiO2作钛源合成BT粉体的粒径大,且四方化转变较困难。水热法合成的BT粉体存在一定的团聚现象,为了改善粉体的分散性,抑制晶粒聚集生长引起的颗粒尺寸大、粒径分布过宽等现象,研究了三种分散剂对水热合成BT粉体粒径及分散性的影响。实验结果表明:乙二醇可以抑制BT晶体长大并显著改善BT粉体的分散性,随着乙二醇添加量的增加,粉体粒径逐渐减小,当乙二醇浓度为1vol％～3vol％时,由谢乐公式计算的粉体理论粒径、比表面积计算的当量粒径、激光粒度分析的平均粒径以及由TEM直接观察到的粉体粒径保持一致,仅45nm左右,且粉体趋于单分散;聚丙烯酸(PAA)对BT粉体亦具有较好的分散效果;而羧甲基纤维素钠(CMC)对改善BT粉体分散性效果不明显。水热合成的BT粉体在常规工艺条件下1250℃烧结的陶瓷致密度较低,提高烧结温度又会引起陶瓷晶粒的尺寸较大或出现晶粒异常长大,使陶瓷的致密度和介电性能降低。通过掺杂和对粉体预处理可以改善BT陶瓷的烧结性能和微观结构,提高介电性能。实验结果表明,掺杂Sr、Y或Mn,用乙醇作球磨介质处理粉体并在900℃下预烧,可以促进BT晶体向四方相转变,并有利于陶瓷的致密烧结和晶粒细化;掺入适量的Sr、Y、Mn元素,均可提高BT陶瓷的室温介电常数,掺杂1.0mol％Sr使陶瓷的室温介电常数升高至2400以上,Y对提高BT陶瓷的介电常数作用显著,掺量为0.3mol％时,陶瓷室温介电常数高达21000以上,Mn掺量为0.1mol％时,陶瓷的室温介电常数达到2700以上;掺杂Sr可以降低BT陶瓷的居里温度,而Y和Mn元素可使陶瓷居里温度升高,其中Mn的影响最大,其陶瓷居里温度比无掺杂时升高8℃;BT陶瓷的室温介电常数随频率增大而减小,在约10KHz时达到稳定值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

第一章 绪论

1.1 BaTiO3晶体的结构、性能与应用

1.2 BT粉体的湿化学法制各技术研究进展

1.3 晶体生长理论研究

1.3.1 晶体成核理论

1.3.2 晶体生长理论

1.3.3 晶体生长机理

1.3.4 晶体生长形态主要法则

1.3.5 负离子配位多面体生长基元理论模型

1.4 粉体粒度测定方法概述

1.5 本课题主要研究内容

第二章 实验过程与方法

2.1 实验原料与主要设备

2.2 研究内容及研究方法

2.2.1 水热合成BT粉体的方案

2.2.2 水热合成BT粉体的工艺流程

2.2.3 BT陶瓷的制备

2.3 样品分析与表征

2.3.1 物相分析

2.3.2 形貌分析

2.3.3 BT粉体的粒径及粒度分布分析

2.3.4 BT粉体的钡钛摩尔比(Ba/Ti)分析

2.3.5 BT陶瓷的介电性能测试

第三章 水热法合成BT粉体的工艺条件研究

3.1 水热合成BT晶体的形成机制

3.1.1“原位结晶”机制

3.1.2“溶解-结晶”机制

3.2 反应条件对BT粉体颗粒特征的影响

3.2.1 反应温度

3.2.2 反应物Ba/Ti比

3.2.3 介质浓度

3.2.4 反应时间

3.2.5 钛源

3.2.6 工艺条件对BT晶体相变的影响

3.3 本章小结

第四章 分散剂对BT粉体颗粒特征的影响

4.1 颗粒团聚及聚集生长现象

4.2 粉体的分散机理

4.2.1 颗粒在液体中的作用力

4.2.2 分散稳定机理

4.3 分散剂对粉体颗粒特征的影响

4.3.1 乙二醇的影响

4.3.2 PAA的影响

4.3.3 CMC的影响

4.4 本章小结

第五章 掺杂对BT陶瓷介电性能的影响

5.1 陶瓷介电性能

5.1.1 介电性能相关参数

5.1.2 影响陶瓷介电性能的微观因素

5.2 BT陶瓷制备实验方案

5.3 掺杂元素对BT陶瓷烧结性能的影响

5.4 掺杂元素对BT陶瓷相组成的影响

5.5 掺杂元素对BT陶瓷显微结构的影响

5.6 掺杂元素对BT陶瓷介电性能的影响

5.7 预烧温度对BT陶瓷介电性能的影响

5.8 本章小结

第六章 结论与创新点

6.1 结论

6.2 创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文与申请专利