鈦酸鋇納米粉體的制備、改性及其陶瓷和厚膜的性能研究.pdf

1、鈦酸鋇（BaTiO3）因具有優(yōu)良的介電性能、壓電性能以及鐵電性能被廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器、鐵電存儲(chǔ)器、傳感器和電光器件等,可以將其稱作為“電子陶瓷的支柱”。近年來(lái)，隨著電子器件往微型化和高性能化方向發(fā)展，對(duì)BaTiO3材料的性能要求越來(lái)越高，其中包括四方相結(jié)構(gòu)、提高介電常數(shù)、降低介電損耗、提高壓電系數(shù)、增強(qiáng)介溫穩(wěn)定性以及細(xì)晶陶瓷等。在此背景下，本文從四方相BaTiO3納米粉體的水熱合成、BaTiO3粉體的包覆改性以及BaTiO3陶瓷和

2、厚膜材料的制備與性能研究三方面入手，以提高粉體四方相含量、改善陶瓷和厚膜的鐵電、介電、壓電、電卡性能以及增強(qiáng)材料的介電溫度溫定性為目標(biāo)，對(duì)BaTiO3材料進(jìn)行了深入的研究。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果概括為以下幾個(gè)方面：
　?。?）利用水熱法合成四方相BaTiO3納米粉體。主要研究水熱反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及乙醇含量對(duì)合成四方相BaTiO3的影響及相應(yīng)的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)證明：提高水熱反應(yīng)溫度、延長(zhǎng)水熱反應(yīng)時(shí)間和增大溶劑中乙醇的

3、含量均有利于四方相BaTiO3的合成。綜合三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最佳的水熱反應(yīng)條件是以Ba(CH3COO)2和Ti(C4H90)4為原料，KOH的用量為1.5mol/L,溶劑中乙醇含量為50％，在240℃下水熱反應(yīng)100h，得到的BaTiO3粉體的c/a值最大，可達(dá)1.0092，粉體四方相含量高達(dá)83.6%。
　?。?）采用水熱法制備的BaTiO3粉體作為原料，其中c/a=1.0073,平均粒徑為86nm。利用普通燒結(jié)法和兩步燒結(jié)法相結(jié)

4、合，制備出晶粒尺寸大小從0.25μm-10.15μm的BaTiO3陶瓷。研究了晶粒尺寸效應(yīng)對(duì)BaTiO3陶瓷的介電、壓電、鐵電以及電卡性能的影響。實(shí)驗(yàn)證明：介電常數(shù)與壓電系數(shù)隨晶粒尺寸的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象，且當(dāng)陶瓷的晶粒尺寸為1.12μm時(shí)，其室溫介電常數(shù)和壓電系數(shù)分別達(dá)到最大值5628和279pC/N。而陶瓷的剩余極化強(qiáng)度Pr與矯頑場(chǎng)Ec隨晶粒尺寸的增大呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。直接測(cè)量法表明粗晶陶瓷(4.61μm)的電卡效應(yīng)比細(xì)

5、晶陶瓷(760nm)的電卡效應(yīng)強(qiáng)，兩者在居里溫度處得到的ΔTmax分別為1.05K和0.814K。
　?。?）采用水熱法制備的BaTiO3粉體作為原料，其中c/a=1.0081,平均粒徑為100nm,利用流延法制備 BaTiO3厚膜材料。主要研究了等靜壓方式對(duì)厚膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及測(cè)量BaTiO3厚膜的介電、鐵電和電卡性能。結(jié)果表明：厚膜的介電常數(shù)在居里溫度處可達(dá)9426，介電損耗在5%以下。BaTiO3厚膜能承受20MV/m的

6、大電場(chǎng)，且極化強(qiáng)度可達(dá)48.5μC·cm-2。通過(guò)間接測(cè)量法計(jì)算得到：在4MV/m外電場(chǎng)作用下，BaTiO3厚膜的等溫熵變?chǔ)max=0.24J·K-1·Kg-1以及絕熱溫變?chǔ)max=2.22K，這顯示厚膜具有良好的電卡效應(yīng)。
　?。?）對(duì)BaTiO3納米粉體進(jìn)行包覆改性研究，首先利用沉淀包覆法將Ho2O3、MgO和MnO包覆在BaTiO3粉體表面，然后通過(guò)燒結(jié)將Ho3+、Mg2+和Mn2+擴(kuò)散到鈦酸鋇晶粒中，調(diào)節(jié)其介電性能。主

7、要研究不同的 Ho3+摻雜量對(duì) BaTiO3基陶瓷的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)及介電性能的影響。結(jié)果表明：包覆層的厚度約為2 nm；Ho3+摻雜的BaTiO3基陶瓷樣品均為立方相結(jié)構(gòu)。Ho3+的加入能抑制晶粒生長(zhǎng)，改善陶瓷微觀結(jié)構(gòu)，利于制備均勻的細(xì)晶陶瓷。包覆 Ho2O3有助于形成“芯-殼”結(jié)構(gòu)晶粒，能顯著改善BaTiO3基陶瓷的介電溫度穩(wěn)定性。當(dāng)Ho3+離子摻雜量為2.0 mol%時(shí)，陶瓷的平均晶粒尺寸為125 nm與初始粉體的顆粒大小非常接