畢業(yè)論文：機械激活法制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷

機械激活法制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷
院 （系） 材料科學與工程學院
專 業(yè) 材料科學與工程
屆 別 2011屆

摘要
鈦酸鋇（BT）作為電子陶瓷業(yè)的支柱具有重要的應用價值與研究意義。文章首先介紹了鈦酸鋇的結構、性質(zhì)、應用以及制備方法，并簡要介紹機械激活法的原理及優(yōu)點，接下來對本人的實驗內(nèi)容、結果與分析進行介紹。
實驗研究中，本人以TiO2，Ba(OH)2•8H2O或Ba(OH)2•H2O為主原料，添加少量添加劑，采用行星式球磨機對原料粉體進行激活處理16h，得到鈦酸鋇前軀體，再將此前軀體進行煅燒制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷。利用差熱分析，SEM，*RD等對試樣的成分、顯微結構變化進行表征分析，結果表明以Ba(OH)2•8H2O和TiO2為主原料，添加少量硼酸的原料粉體經(jīng)機械激活處理、燒結后可得到具有棒狀等異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷。
關鍵詞：鈦酸鋇，機械激活，異向生長

Abstract
Barium titanates as the backbone of electronic ceramics are of great value in applications and study. Firstly, the article introduces the structure, properties, applications and synthesis of barium titanate and briefly introduces the principle of mechanical activation and its advantages. Then the article discusses about my e*periment’s c
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耐壓和絕緣性能，廣泛用于制造壓電陶瓷、鐵電陶瓷器件等。本實驗研究的目的是對利用機械激活法（高能球磨法）制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷進行初步探索。機械激活法是近來開發(fā)的材料制備的新方法，此方法可以很容易的制備出超細粉體或誘導固相反應，在制備陶瓷材料方面有廣泛的應用。在國外，Gomez[1]，Stojanovic[2]等對利用高能球磨法制備鈦酸鋇的研究表明利用機械激活處理過的原料可在較低溫度下制備鈦酸鋇。在國內(nèi),張同生[3],吳雪梅[4]等也對利用高能球磨法制備鈦酸鋇的研究表明該方法有降低燒結溫度，制品結構致密等特點。并通過摻雜PbO和CaO[5],可提高鈦酸鋇陶瓷的介電常數(shù)。齊建龍[6，7]等通過B2O3蒸汽摻雜可明顯提高鈦酸鋇的PTRC效應。本研究通過高能球磨法制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷，通過添加少量硼酸、改變原料成分和配比，以及改變粉體煅燒制度，對結果進行分析比較，初步得出較適宜的實驗制備條件。晶體的異向生長是定向生長的基礎，初步推斷，定向生長對壓電材料的壓電性、鐵電性具有促進作用，具有一定研究意義。
第一章 緒論
1鈦酸鋇簡介
鈦酸鋇是一種強介電材料，是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一，被譽為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”。目前，關于鈦酸鋇的研究實在很多。國內(nèi)外許多的學者對鈦酸鋇做了大量的研究工作，通過摻雜改性，已經(jīng)得到了大量的新材料。鈦酸鋇是鈦酸鹽系列電子陶瓷的基礎母體原料，仍是研究的重點。近年來，隨著材料加工技術的發(fā)展，開發(fā)出了多種鈦酸鋇陶瓷制備方法，鈦酸鋇制品的純度、粒度控制能力都大大的提高，因此也提高了鈦酸鋇的應用價值。
1.1鈦酸鋇晶體結構
鈦酸鋇熔點為1618℃，固態(tài)晶體有五種晶體結構，溫度從高到低依次為：六方、等軸、四方、斜方及三方晶系。隨溫度的變化，晶體結構依次發(fā)生變化。
在1460℃~1618℃結晶出來的鈦酸鋇屬于非鐵電的六方晶系6/mmm點群。此時，六方晶系是穩(wěn)定的。
在1460~130℃之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)锳BO3立方鈣鈦礦型結構。在此結構中Ti4+(鈦離子)居于O2-(氧離子)構成的氧八面體中央，Ba2+ (鋇離子)則處于八個氧八面體圍成的空隙中。此時的鈦酸鋇晶體結構對稱性極高，因此無偶極矩產(chǎn)生，晶體無鐵電性，也無壓電性。
當溫度下降到130℃時，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點群，具有顯著地鐵電性，其自發(fā)極化強度沿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，結構變化較小。從晶胞來看，只是晶胞沿原立方晶系的一軸（c軸）拉長，而沿另兩軸縮短。
當溫度下降到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點群，此時晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強度沿原立方晶胞的面對角線[011]方向。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担浣Y構變化也不大。從晶胞來看，相當于原立方晶系的一根面對角線伸長了，另一根面對角線縮短了，c軸不變。
當溫度繼續(xù)下降到-90℃以下時，晶體由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿本?m點群，此時晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強度方向與原立方晶胞的體對角線[111]方向平行。鈦酸鋇從正交晶系轉(zhuǎn)變成三斜晶系，其結構變化也不大。從晶胞來看，相當于原立方晶胞的一根體對角線伸長，另一根體對角線縮短。
鈦酸鋇陶瓷的晶體結構、鐵電性與晶粒尺寸有密切關系, 當晶粒尺寸再減小到小于0. 5μm時,晶體結構轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌酁橹鱗8]�？疾焘佀徜^陶瓷的晶粒尺寸與它的晶體結構變化和鐵電性等有重要的物理意義。
1.2鈦酸鋇性質(zhì)與用途
鈦酸鋇的晶體結構決定了鈦酸鋇的性質(zhì)，鈦酸鋇是一種鐵電陶瓷材料。在130℃時，鈦酸鋇發(fā)生順電-鐵電相變。在130℃（即居里點）以上，鈦酸鋇晶體呈現(xiàn)順電性，在130℃以下呈現(xiàn)鐵電性。在130℃，鈦酸鋇晶體結構發(fā)生變化，晶體對稱性下降，晶胞的結構中正負電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性。同時，它也是良好的介電材料，壓電材料，和熱釋電材料(如圖1)，具有介電損耗小，介電常數(shù)大的優(yōu)點�；谶@些優(yōu)良的性質(zhì)，鈦酸鋇被用作陶瓷電容器的介電材料、麥克風和其它傳感器的壓電材料，作為壓電材料，它在很大程度上取代鋯鈦酸鉛。鈦酸鋇的熱釋電和鐵電性質(zhì)，被應于一些非致冷感應器之類的熱成像攝影機。











多晶鈦酸鋇顯示正的溫度系數(shù)，使之成為熱敏電阻和自我調(diào)節(jié)電熱系統(tǒng)的有用材料。全致密納米結晶鈦酸鋇的介電常數(shù)高達40%，比其它同樣以傳統(tǒng)方法制造的材料更高。鈦酸鋇結晶被用于非線性光學。它有高的光耦合增益，并能維持在可見光和近紅外線波段。它可用于連續(xù)波四波混頻毫瓦遠程光功率。在光折變應用中，鈦酸鋇可以摻雜其它各種元素，例如鈰。在錫中摻入鈦酸鋇的包合物已經(jīng)顯示創(chuàng)造出一個比鉆石高的黏彈勁度的散狀物料。鈦酸鋇在相變時會改變晶體的形狀和體積。這導致復合材料的鋇鈦酸有負的體積彈性模量（楊氏模量），即當一個作用力施加在包合物上時，在反方向會產(chǎn)生位移，并進一步勁化復合材料。鈦酸鋇薄膜電光調(diào)制器顯示超過40GHz的頻率。納米鈦酸鋇可作為催化材料，是它的另一個重要應用。
1.3主要制備方法[8][9]
鈦酸鋇的制備方法一直是研究的重點，隨著研究工作者不斷對新方法的探索以及材料加工技術的發(fā)展，開發(fā)出了許多新的制備方法。目前，使用較為廣泛的鈦酸鋇陶瓷的制備方法主要有三種：固相反應法、溶膠-凝膠法、水熱合成法。
1.3.1固相反應法
固相反應法是目前制備鈦酸鋇陶瓷最成熟的方法，主要依靠固相擴散傳質(zhì)方式進行反應。傳統(tǒng)的方法以BaCO3 、TiO2 為主要原料，經(jīng)球磨混合、成型、高溫燒結等工序后獲得鈦酸鋇陶瓷。機械激活法（高能球磨法）是近年來開發(fā)的制備超細粉體及納米粉體材料的新方法，利用高能球磨法直接合成TiBO3一般需要較長的球磨時間，這樣能量消耗不太經(jīng)濟。有人認為，利用此方法通過較短時間的球磨獲得其前驅(qū)體，再將此前驅(qū)體在較低溫度下燒結成陶瓷是較合適的。
固相法制備的粉體存在純度較低、粒度較大、粒度分布不均、摻雜元素不均勻等缺點，所制備出的鈦酸鋇陶瓷材料的介電性能較不穩(wěn)定。但是，由于固相法具有產(chǎn)量高、成本低、制備工藝簡單等優(yōu)點，是目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠家所采用的方法。
1.3.2溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是一種濕化學法， 主要是由金屬Ba和Ti的有機化合物或金屬無機鹽經(jīng)水解和縮聚過程、凝膠化及相應的熱處理而獲得粉體， 再經(jīng)成型 ……（未完，全文共14956字，當前僅顯示3558字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：機械激活法制備具有異向生長特征的鈦酸鋇陶瓷》）