粉料尺寸对batio3陶瓷烧结工艺研究studyonsinteringprocessofbatio3ceramicpow
摘 要摘 要BaTiO3原料粉体主要被分为两种尺寸，分别是微米级BaTiO3粉体和纳米级BaTiO3粉体。本实验以这两种尺寸的粉体为原料烧结陶瓷，然后对陶瓷的密度、收缩率和显微结构进行对比和分析。其中微米级BaTiO3粉体是通过固相烧结法进行制备，而纳米级BaTiO3粉体则是通过溶胶-凝胶法制备。将由两种不同粉体尺寸制备的坯体烧结成陶瓷后对陶瓷的直径、厚度和质量进行测量与分析。在1100℃、1200℃、1250℃、1300℃和1350℃五个不同的烧结温度下进行烧结，得出纳米级粉体和微米级粉体烧结BaTiO3陶瓷的最佳烧结温度为1350℃；在1h、2h、3h和4h四个不同的保温时间下进行煅烧，得出烧结陶瓷的最佳保温时间为3h。最佳烧结条件下烧结出的微米级BaTiO3密度为5.27g/cm3而纳米级BaTiO3的密度为5.00g/cm3，微米BaTiO3陶瓷密度比纳米的多了0.27g/cm3。此条件下微米级BaTiO3的收缩率为8.7%而纳米级BaTiO3的收缩率则高达15.15%，两者收缩率之间差了6.415%。关键词BaTiO3；晶粒尺寸；固相烧结法；溶胶-凝胶法；收缩率
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 BaTiO3陶瓷的结构与性能 1
1.3 BaTiO3粉体的制备方法 4
1.4 课题研究的意义及研究方法 6
第二章 BaTiO3陶瓷烧结实验研究 8
2.1 实验设备的介绍及注意事项 8
2.2 实验材料的准备与合成 10
2.2.1 微米级粉体的合成 10
2.2.2 纳米级粉体的合成 12
2.3 坯体的制备 15
2.4 坯体的烧结及实验数据的相关测量 15
第三章 粉料尺寸对BaTiO3陶瓷的性能影响及其机理 17
3.1 陶瓷最佳烧结温度的确定 17
3.2 陶瓷最佳保温时间的确定 19
3.3粉料尺寸对陶瓷性能的影响 21
3.3.1 收缩率的影响 21
3.3.2 致密度的影响 21
第四章 结论与展望 26
4.1 结论 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.2 展望 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 引言
钛酸钡（BaTiO3)是一种具有高介电常数及优良的铁电、压电和绝缘性能的重要电子陶瓷、PTC陶瓷原料。其掺杂固溶体在电子陶瓷工业中有着广泛的应用[1,2]，在高性能PTC热敏半导体陶瓷材料、晶界陶瓷电容器、独石多层陶瓷电容器微波介质材料等器件制造中作为主要原料。BaTiO3粉体尺寸的大小、晶体结构、分布状况等都将直接影响着陶瓷的性能，所以制备超细BaTiO3粉体一直是国内外的先进陶瓷材料的研究方向之一。
在BaTiO3陶瓷制备工艺中的一个基本特点就是以BaTiO3粉体为原料经成型和烧结而形成多晶陶瓷体，因此陶瓷原料粉体的尺寸将直接影响着烧结后陶瓷的性能。所以为了研究以不同尺寸粉体烧结出的BaTiO3陶瓷的性能，我们首先需要解决的问题是制备出符合要求的原料粉体。国内外进行BaTiO3粉体制备的方法有很多，本文主要是通过固相烧结法和溶胶—凝胶法制备不同尺寸的BaTiO3粉体，然后对烧结后的陶瓷进行对比和性能分析。
1.2 BaTiO3陶瓷的结构与性能
首先我们对其结构进行描述，BaTiO3是一种非常典型的四方系晶体，在压电、电光、非线性光学和光折变等领域中发挥着十分重要的作用。BaTiO3也是一种钙钛矿型材料，钙钛矿型材料结构的化学式可写为ABO3，其中的A代表了1化合价或者2化合价的金属，B代表了4价或者5价的金属，O形成氧八面体结构。B离子处于氧八面体的中央位置，A离子处于氧八面体的间隙里。对于BaTiO3晶体Ba2+就是A离子，Ti4+就是B离子(图1—1)。BaTiO3晶体超过120℃时为顺电相，属于立方晶系m3m点群；在正好120℃时发生顺电铁电相变，属于四方晶系4mm点群，自发极化方向沿4度轴；在5℃时，发生铁电铁电相变，属正交晶系mm2点群，自发极化方向为2度轴；在—90℃时，发生另一铁电铁电相变，属三方晶系3m点群，自发极化方向为3度轴[3～6]。
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图 1—1BaTiO3晶体基本结构
室温下，钛酸钡晶体属于四方晶系4mm点群，为铁电性。在120℃附近，由立方相向四方相转变时，Ti4+离子和O2离子沿Z轴相对于Ba2+都有移动，这时原胞的c轴（即Z轴）略有伸长，a/c=1.01。在c轴方向正负电荷重心不重合，即出现自发极化现象。由于BaTiO3晶体的对称性，它们的介电、弹性、压电和电光系数等物理张量都可以简化，弹性系数有6个独立分量，压电、电光系数各有三个独立分量，介电系数有两个独立分量。
BaTiO3陶瓷包含了很多主要性能，如铁电性、介电性、热敏性等。
铁电性：1920年，法国人Valasek发现了罗息盐（酒石酸甲钠，NaKC3H4O64H2O）的特异的介电性能，导致了“铁电性”概念的出现。铁电性是指在某个温度范围内可以产生自发极化，通常自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，自发极化能够重新取向，而且极化强度矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线。当温度升高超过某一特定值后，自发极化消失，铁电相转变为顺电相。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变,转变温度称为居里温度（或居里点）。
人们引用“电畴”概念来说明铁电体的自发极化机理。在铁电体中，在每个单胞中都会拥有是一个固有电偶极矩，即便没有外电场发挥作用，固有电偶极矩也不为零。由于偶极矩存在很强的相互作用，极矩之间互相平行并存在很小范围内，且偶极矩具有相同的方向，这一具有宏观偶极矩的小体积就称为“电畴”。在不存在外电场时，电畴中每个单胞已被极化，因此称为自发极化。如果铁电体内的所有电畴偶极矩方向都定在同一方向，铁电体因贮存很大的静电能而不稳定，因而，在无外电场作用的情况下，铁电体内部将分成许多电畴，而每一电畴中的偶极矩方向相同，这样就铁电体整体而言，对外界将不呈现极化状态。
按照相变过程中特征函数的变化特点，可将铁电相变分为两类：一级相变和二级相变。一级相变指不连续相变，在居里温度处，特征函数的一级微商不连续，自发极化和嫡发生不连续相变，有相变潜热。存在热滞回线以及电场诱导的铁电相变，如BaTiO3晶体。二级变指连续相变，在居里温度处，特征函数的一级微商连续而二级微商不连续，自发极化在居里温度连续变为零，相变时无潜热发生，比热有不连续的突变，不存在热滞回线和场致相变，如KDP晶体。
介电性：铁电材料通常用作电容介质材料，其主要的性能指标为介电常数εr和介电损耗tanδ。介电常数是反映电介质极化性能的宏观物理量。介电常数为每增加单位外电压极化强度的增量，表示为：
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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 BaTiO3陶瓷的结构与性能 1
1.3 BaTiO3粉体的制备方法 4
1.4 课题研究的意义及研究方法 6
第二章 BaTiO3陶瓷烧结实验研究 8
2.1 实验设备的介绍及注意事项 8
2.2 实验材料的准备与合成 10
2.2.1 微米级粉体的合成 10
2.2.2 纳米级粉体的合成 12
2.3 坯体的制备 15
2.4 坯体的烧结及实验数据的相关测量 15
第三章 粉料尺寸对BaTiO3陶瓷的性能影响及其机理 17
3.1 陶瓷最佳烧结温度的确定 17
3.2 陶瓷最佳保温时间的确定 19
3.3粉料尺寸对陶瓷性能的影响 21
3.3.1 收缩率的影响 21
3.3.2 致密度的影响 21
第四章 结论与展望 26
4.1 结论 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.2 展望 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 引言
钛酸钡（BaTiO3)是一种具有高介电常数及优良的铁电、压电和绝缘性能的重要电子陶瓷、PTC陶瓷原料。其掺杂固溶体在电子陶瓷工业中有着广泛的应用[1,2]，在高性能PTC热敏半导体陶瓷材料、晶界陶瓷电容器、独石多层陶瓷电容器微波介质材料等器件制造中作为主要原料。BaTiO3粉体尺寸的大小、晶体结构、分布状况等都将直接影响着陶瓷的性能，所以制备超细BaTiO3粉体一直是国内外的先进陶瓷材料的研究方向之一。
在BaTiO3陶瓷制备工艺中的一个基本特点就是以BaTiO3粉体为原料经成型和烧结而形成多晶陶瓷体，因此陶瓷原料粉体的尺寸将直接影响着烧结后陶瓷的性能。所以为了研究以不同尺寸粉体烧结出的BaTiO3陶瓷的性能，我们首先需要解决的问题是制备出符合要求的原料粉体。国内外进行BaTiO3粉体制备的方法有很多，本文主要是通过固相烧结法和溶胶—凝胶法制备不同尺寸的BaTiO3粉体，然后对烧结后的陶瓷进行对比和性能分析。
1.2 BaTiO3陶瓷的结构与性能
首先我们对其结构进行描述，BaTiO3是一种非常典型的四方系晶体，在压电、电光、非线性光学和光折变等领域中发挥着十分重要的作用。BaTiO3也是一种钙钛矿型材料，钙钛矿型材料结构的化学式可写为ABO3，其中的A代表了1化合价或者2化合价的金属，B代表了4价或者5价的金属，O形成氧八面体结构。B离子处于氧八面体的中央位置，A离子处于氧八面体的间隙里。对于BaTiO3晶体Ba2+就是A离子，Ti4+就是B离子(图1—1)。BaTiO3晶体超过120℃时为顺电相，属于立方晶系m3m点群；在正好120℃时发生顺电铁电相变，属于四方晶系4mm点群，自发极化方向沿4度轴；在5℃时，发生铁电铁电相变，属正交晶系mm2点群，自发极化方向为2度轴；在—90℃时，发生另一铁电铁电相变，属三方晶系3m点群，自发极化方向为3度轴[3～6]。
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图 1—1BaTiO3晶体基本结构
室温下，钛酸钡晶体属于四方晶系4mm点群，为铁电性。在120℃附近，由立方相向四方相转变时，Ti4+离子和O2离子沿Z轴相对于Ba2+都有移动，这时原胞的c轴（即Z轴）略有伸长，a/c=1.01。在c轴方向正负电荷重心不重合，即出现自发极化现象。由于BaTiO3晶体的对称性，它们的介电、弹性、压电和电光系数等物理张量都可以简化，弹性系数有6个独立分量，压电、电光系数各有三个独立分量，介电系数有两个独立分量。
BaTiO3陶瓷包含了很多主要性能，如铁电性、介电性、热敏性等。
铁电性：1920年，法国人Valasek发现了罗息盐（酒石酸甲钠，NaKC3H4O64H2O）的特异的介电性能，导致了“铁电性”概念的出现。铁电性是指在某个温度范围内可以产生自发极化，通常自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，自发极化能够重新取向，而且极化强度矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线。当温度升高超过某一特定值后，自发极化消失，铁电相转变为顺电相。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变,转变温度称为居里温度（或居里点）。
人们引用“电畴”概念来说明铁电体的自发极化机理。在铁电体中，在每个单胞中都会拥有是一个固有电偶极矩，即便没有外电场发挥作用，固有电偶极矩也不为零。由于偶极矩存在很强的相互作用，极矩之间互相平行并存在很小范围内，且偶极矩具有相同的方向，这一具有宏观偶极矩的小体积就称为“电畴”。在不存在外电场时，电畴中每个单胞已被极化，因此称为自发极化。如果铁电体内的所有电畴偶极矩方向都定在同一方向，铁电体因贮存很大的静电能而不稳定，因而，在无外电场作用的情况下，铁电体内部将分成许多电畴，而每一电畴中的偶极矩方向相同，这样就铁电体整体而言，对外界将不呈现极化状态。
按照相变过程中特征函数的变化特点，可将铁电相变分为两类：一级相变和二级相变。一级相变指不连续相变，在居里温度处，特征函数的一级微商不连续，自发极化和嫡发生不连续相变，有相变潜热。存在热滞回线以及电场诱导的铁电相变，如BaTiO3晶体。二级变指连续相变，在居里温度处，特征函数的一级微商连续而二级微商不连续，自发极化在居里温度连续变为零，相变时无潜热发生，比热有不连续的突变，不存在热滞回线和场致相变，如KDP晶体。
介电性：铁电材料通常用作电容介质材料，其主要的性能指标为介电常数εr和介电损耗tanδ。介电常数是反映电介质极化性能的宏观物理量。介电常数为每增加单位外电压极化强度的增量，表示为：
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