毕业论文：机械激活法制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷

机械激活法制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷
院 （系） 材料科学与工程学院
专 业 材料科学与工程
届 别 2011届

摘要
钛酸钡（BT）作为电子陶瓷业的支柱具有重要的应用价值与研究意义。文章首先介绍了钛酸钡的结构、性质、应用以及制备方法，并简要介绍机械激活法的原理及优点，接下来对本人的实验内容、结果与分析进行介绍。
实验研究中，本人以TiO2，Ba(OH)2•8H2O或Ba(OH)2•H2O为主原料，添加少量添加剂，采用行星式球磨机对原料粉体进行激活处理16h，得到钛酸钡前躯体，再将此前躯体进行煅烧制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷。利用差热分析，SEM，*RD等对试样的成分、显微结构变化进行表征分析，结果表明以Ba(OH)2•8H2O和TiO2为主原料，添加少量硼酸的原料粉体经机械激活处理、烧结后可得到具有棒状等异向生长特征的钛酸钡陶瓷。
关键词：钛酸钡，机械激活，异向生长

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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耐压和绝缘性能，广泛用于制造压电陶瓷、铁电陶瓷器件等。本实验研究的目的是对利用机械激活法（高能球磨法）制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷进行初步探索。机械激活法是近来开发的材料制备的新方法，此方法可以很容易的制备出超细粉体或诱导固相反应，在制备陶瓷材料方面有广泛的应用。在国外，Gomez[1]，Stojanovic[2]等对利用高能球磨法制备钛酸钡的研究表明利用机械激活处理过的原料可在较低温度下制备钛酸钡。在国内,张同生[3],吴雪梅[4]等也对利用高能球磨法制备钛酸钡的研究表明该方法有降低烧结温度，制品结构致密等特点。并通过掺杂PbO和CaO[5],可提高钛酸钡陶瓷的介电常数。齐建龙[6，7]等通过B2O3蒸汽掺杂可明显提高钛酸钡的PTRC效应。本研究通过高能球磨法制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷，通过添加少量硼酸、改变原料成分和配比，以及改变粉体煅烧制度，对结果进行分析比较，初步得出较适宜的实验制备条件。晶体的异向生长是定向生长的基础，初步推断，定向生长对压电材料的压电性、铁电性具有促进作用，具有一定研究意义。
第一章 绪论
1钛酸钡简介
钛酸钡是一种强介电材料，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。目前，关于钛酸钡的研究实在很多。国内外许多的学者对钛酸钡做了大量的研究工作，通过掺杂改性，已经得到了大量的新材料。钛酸钡是钛酸盐系列电子陶瓷的基础母体原料，仍是研究的重点。近年来，随着材料加工技术的发展，开发出了多种钛酸钡陶瓷制备方法，钛酸钡制品的纯度、粒度控制能力都大大的提高，因此也提高了钛酸钡的应用价值。
1.1钛酸钡晶体结构
钛酸钡熔点为1618℃，固态晶体有五种晶体结构，温度从高到低依次为：六方、等軸、四方、斜方及三方晶系。随温度的变化，晶体结构依次发生变化。
在1460℃~1618℃结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。此时，六方晶系是稳定的。
在1460~130℃之间钛酸钡转变为ABO3立方钙钛矿型结构。在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-(氧离子)构成的氧八面体中央，Ba2+ (钡离子)则处于八个氧八面体围成的空隙中。此时的钛酸钡晶体结构对称性极高，因此无偶极矩产生，晶体无铁电性，也无压电性。
当温度下降到130℃时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在130~5℃的温区内，钛酸钡为四方晶系4mm点群，具有显著地铁电性，其自发极化强度沿c轴方向，即[001]方向。钛酸钡从立方晶系转变为四方晶系时，结构变化较小。从晶胞来看，只是晶胞沿原立方晶系的一轴（c轴）拉长，而沿另两轴缩短。
当温度下降到5℃以下，在5~-90℃温区内，钛酸钡晶体转变成正交晶系mm2点群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线[011]方向。通常采用单斜晶系的参数来描述正交晶系的单胞，这样处理的好处是使我们很容易地从单胞中看出自发极化的情况。钛酸钡从四方晶系转变为正交晶系，其结构变化也不大。从晶胞来看，相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了，另一根面对角线缩短了，c轴不变。
当温度继续下降到-90℃以下时，晶体由正交晶系转变为三斜晶系3m点群，此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度方向与原立方晶胞的体对角线[111]方向平行。钛酸钡从正交晶系转变成三斜晶系，其结构变化也不大。从晶胞来看，相当于原立方晶胞的一根体对角线伸长，另一根体对角线缩短。
钛酸钡陶瓷的晶体结构、铁电性与晶粒尺寸有密切关系, 当晶粒尺寸再减小到小于0. 5μm时,晶体结构转变为正交相为主[8]。考察钛酸钡陶瓷的晶粒尺寸与它的晶体结构变化和铁电性等有重要的物理意义。
1.2钛酸钡性质与用途
钛酸钡的晶体结构决定了钛酸钡的性质，钛酸钡是一种铁电陶瓷材料。在130℃时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在130℃（即居里点）以上，钛酸钡晶体呈现顺电性，在130℃以下呈现铁电性。在130℃，钛酸钡晶体结构发生变化，晶体对称性下降，晶胞的结构中正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性。同时，它也是良好的介电材料，压电材料，和热释电材料(如图1)，具有介电损耗小，介电常数大的优点。基于这些优良的性质，钛酸钡被用作陶瓷电容器的介电材料、麦克风和其它传感器的压电材料，作为压电材料，它在很大程度上取代锆钛酸铅。钛酸钡的热释电和铁电性质，被应于一些非致冷感应器之类的热成像摄影机。











多晶钛酸钡显示正的温度系数，使之成为热敏电阻和自我调节电热系统的有用材料。全致密纳米结晶钛酸钡的介电常数高达40%，比其它同样以传统方法制造的材料更高。钛酸钡结晶被用于非线性光学。它有高的光耦合增益，并能维持在可见光和近红外线波段。它可用于连续波四波混频毫瓦远程光功率。在光折变应用中，钛酸钡可以掺杂其它各种元素，例如铈。在锡中掺入钛酸钡的包合物已经显示创造出一个比钻石高的黏弹劲度的散状物料。钛酸钡在相变时会改变晶体的形状和体积。这导致复合材料的钡钛酸有负的体积弹性模量（杨氏模量），即当一个作用力施加在包合物上时，在反方向会产生位移，并进一步劲化复合材料。钛酸钡薄膜电光调制器显示超过40GHz的频率。纳米钛酸钡可作为催化材料，是它的另一个重要应用。
1.3主要制备方法[8][9]
钛酸钡的制备方法一直是研究的重点，随着研究工作者不断对新方法的探索以及材料加工技术的发展，开发出了许多新的制备方法。目前，使用较为广泛的钛酸钡陶瓷的制备方法主要有三种：固相反应法、溶胶-凝胶法、水热合成法。
1.3.1固相反应法
固相反应法是目前制备钛酸钡陶瓷最成熟的方法，主要依靠固相扩散传质方式进行反应。传统的方法以BaCO3 、TiO2 为主要原料，经球磨混合、成型、高温烧结等工序后获得钛酸钡陶瓷。机械激活法（高能球磨法）是近年来开发的制备超细粉体及纳米粉体材料的新方法，利用高能球磨法直接合成TiBO3一般需要较长的球磨时间，这样能量消耗不太经济。有人认为，利用此方法通过较短时间的球磨获得其前驱体，再将此前驱体在较低温度下烧结成陶瓷是较合适的。
固相法制备的粉体存在纯度较低、粒度较大、粒度分布不均、掺杂元素不均匀等缺点，所制备出的钛酸钡陶瓷材料的介电性能较不稳定。但是，由于固相法具有产量高、成本低、制备工艺简单等优点，是目前国内大多数生产厂家所采用的方法。
1.3.2溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种湿化学法， 主要是由金属Ba和Ti的有机化合物或金属无机盐经水解和缩聚过程、凝胶化及相应的热处理而获得粉体， 再经成型 ……（未完，全文共14956字，当前仅显示3558字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：机械激活法制备具有异向生长特征的钛酸钡陶瓷》）