论文部分内容阅读
钛酸钡作为拥有优秀的介电、铁电和压电等性能的电子陶瓷原材料,是发展高端产业、提升国家核心技术力量的关键材料。随着智能手机的普及和5G通讯设备等高端技术的发展,陶瓷类电子元件在其中起到了关键作用,因此人们对钛酸钡粉体及陶瓷的制备技术和性能提出了越来越高的要求。一方面,为了拓宽陶瓷的使用温度范围、提升陶瓷的电性能,对钛酸钡进行掺杂改性,设计出了一批如锆钛酸钡(BZT)、钛酸钡钙(BCT)、锆钛酸钡钙(BCZT)等的高性能材料;另一方面,为了适应材料微型化、可穿戴化的要求,对制备高纯超细钛酸钡的高端粉体技术进行了大量研究。其中共沉淀法作为一种能生产出高纯度、均匀性好的纳米钛酸钡粉体的制备方法,在实际生产中应用范围更广。然而在多组元体系下其制备的钛酸钡基产物极容易发生成分偏析,因此,本论文采用共沉淀法制备钛酸钡基陶瓷材料,改进反应条件,研究其反应机理,期望能获得成分可控的钛酸钡基陶瓷材料并提升陶瓷的电性能。本论文的主要研究内容及结果如下:1.以 Ba(CH3COO)2、Ca(CH3COO)2·H2O、Zr(NO3)4·5H2O和 TiC14为原料,NaOH为沉淀剂,制备 BaTi03、BaZr0.2Ti0.8O3、Ba0.7Ca0.3TiO3 和 Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 四种粉体及陶瓷,系统研究离子取代对样品粉体及陶瓷相结构和微观形貌的影响。所制得的粉体为平均直径从100 nm到400 nm的分散性良好的球形颗粒,并获得致密性良好的符合化学计量比的BT和BZT陶瓷材料。通过对BCT和BCZT材料的成分分析,发现样品中Ca元素严重流失,样品实际成分偏离化学计量比,导致这两种材料中出现杂相,陶瓷中产生大量气孔,晶粒不正常长大,无法烧结出致密陶瓷。2.通过改变Ca(CH3COO)2·H2O加料量、沉淀剂和钛源种类等条件,确定了以KOH为沉淀剂、K2TiO(C2O4)2·2H2O为钛源的共沉淀反应条件,可有效使Ba0.7Ca0.3TiO3中的金属元素共同沉淀,Ca不再流失。获得符合化学计量比的Ba0.7Ca0.3TiO3材料,制备出平均直径为417 nm的分散性好、大小均一的BCT球形粉体的最佳反应条件:(Ba+Ca)/Ti摩尔比为1.0,KOH浓度为9 M,Ca(CH3COO)2加料量(α)为0.85。以此粉体烧结出了四方相的BCT陶瓷,在烧结温度为1380℃下获得最佳的介电性能(εmax=6723,tanδ=0.01 1)、铁电性能(Pmax=22 μC/cm2,击穿场强 110 kV/cm)和储能性能(Wrec=0.45 J/cm3,η=43%)。采用 FT-IR 和 TG-DSC对反应过程中物质的变化进行分析,证明草酸钛钾既作钛源又能对Ca起到沉淀作用。通过TEM分析出BCT粉体为混合相,单个球形颗粒的成分分布均匀。3.以 Ba(CH3COO)2、Ca(CH3COO)2·H2O、Zr(NO3)4·5H2O和 K2TiO(C2O4)2·2H2O为原料,KOH为沉淀剂制备Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.903陶瓷材料,探究(Ba+Ca)/(Zr+Ti)摩尔比、沉淀剂KOH浓度、Zr(NO3)4加料量(β)对BCZT材料相结构、微观形貌及产品成分比例的影响。发现在(Ba+Ca)/(Zr+Ti)=1.0、OKOH=8M,β=0.61的条件下,成功获得平均直径为614nm的分散性好、大小均一的BCZT球形粉体,产品的成分符合化学计量比。以此粉体烧结出了纯相的BCZT陶瓷,在烧结温度为1420℃下获得了最佳的介电性能(εmax=7588,tanδ=0.016),在1440℃下获得了最佳的铁电性能(Pmax=15.92μC/cm2,击穿场强150 kV/cm)和储能性能(Wrec=0.54 J/cm3,η=71%)。通过TEM和Raman光谱等手段,分析出BCZT粉体为四方相与正交相的混合相,并利用FT-IR和TG-DSC分析了制备BCZT粉体的反应过程,推导出反应机理。