固相烧结法制备钛酸钡陶瓷材料

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固相烧结法制备BaTiO3（BTO）陶瓷材料
钛酸钡是电子陶瓷材料的基础原料，被称为电子陶瓷业的支柱。

它具有高介电常数、低介电损耗、优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能，被广泛的应用于制造陶瓷敏感元件，尤其是正温度系数热敏电阻 ( ptc) 、多层陶瓷电容器 (MLccs) 、热电元件、压电陶瓷、声纳、红外辐射探测元件、晶体陶瓷电容器、电光显示板、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等。

钛酸钡具有钙钛矿晶体结构，用于制造电子陶瓷材料的粉体粒径一般要求在100nm以内。

因此 BaTiO3 粉体粒度、形貌的研究一在此温度以下， 1460℃以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系
6/mmm直是国内外关注的焦点之一。

1 材料结构
钛酸钡是一致
性熔融化合物，其
熔点为1618℃。

点
群。

此时，六方晶
系是稳定的。

在
1460~130℃之间钛
酸钡转变为立方钙
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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（见右图）。

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。

随着温度下降，晶体的对称性下降。

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。

为了方便起见，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。

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晶相转变
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了，另一根体对角线缩短
了。

综上所述，在整个温区(<1618 ℃) ，钛酸钡共有五种晶体
.
结构，即六方、立方、四方、单斜、三斜，随着温度的降低，
晶体的对称性越来越低。

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。

2 制备 BTO陶瓷材料
3.1 实验简介
本试验采用固相烧结法制备BaTiO3 陶瓷材料, 所需药品为一定质量的BaCO3和TiO2，充分研磨后800℃预烧，研磨后1200℃烧结制备BTO粉体。

冷却后研磨，加粘结剂PVC，压片成型， 1400℃烧结。

冷却后制得样品。

3.2 药品称量
每种药品的称量按以下三个步骤完成的：粗称──干燥─ ─细称，粗称时只要求样品质量精确到 0.01g, 粗称好的样品应
及时放入干燥箱内干燥，粗称的样品可能被长时间放置过，药品内可能物理吸附了一定量的水分，为了保证实验的准确性所以
要对粗称后的样品进行干燥处理。

本次试验中干燥使用高温恒
温烘干箱 GHX 系列 , 如图 2－1 所示。

按下底座左下方的
.
绿色按钮后，通过箱盖上的 SET按钮以及表盘可以设置温度以
及时间。

本次试验要求温度设置在 120 度，烘干两个小时，烘干时应注意以下两点：一、干燥样品前要保证干燥箱内清洁无污染，干燥前要用酒精擦拭干燥箱，若干燥箱长时间不用一定要在不
内置样品的情况下干燥半小时。

二、干燥结束后一定不要立即
打开箱盖，否则样品会吸附空气中的水分，干燥两个小时后断电，让保温箱的温度自然冷却至室温再取出样品。

图 2－1 GHX 系列高温恒温烘干箱图 2-2 AB135-S型电子天平
细称是本次实验的最关键部分，它直接影响到样品的掺杂
是否准确，进一步会影响到实验的准确性，所以细称时要求我
们要严格按照天平上标注的使用方法进行，并且要保证换样品
称量时要更换称量纸并且用酒精清洗药匙、镊子、称量瓶等用具，并详细登记所称质量，称量完毕后仍要对样品密封妥善保管，本次实验中粗称和细称都使用 AB135-S型高精度物理分析
天平，如图 2-2 所示。

AB135-S型电子天平精确度达到 0.00001 克，这就保证了实验的精确性与可信度。

称量时对操作者的熟练程度有很高的要求：首先，要保持双手的清洁，以防止污染样品；其次，要把天平放
在一个安静而稳定的实验台上，而且要避风。

由于天平的精确
度很高，微弱的振动甚至大声说话都能使天平失去平衡，稳定的实验台能为称量提供一个相对稳定的工作环境。

具体的操作细则如下：
天平使用前要先调平。

也就是让天平处于水平状态，通过调节天平底座下面的三个调节旋钮来实现，标准是让天平上面的水平仪中的水泡居中。

天平使用前要调零。

调节天平右后面的调零旋钮让光标
指零，若不能指零可调节里面的平衡螺母让光标指零。

打开天平防风玻璃，向吊盘内添加药品，添加的准确程度
主要与操作者的熟练程度有关。

当发现视野中的光标向下移动
时停止加药品，待读数后再确定所加量。

加完药品后合上挡风玻璃，然后读数，若该值与我们所需值相同时，此次称量即算完成。

最后取出药品前先将制动旋钮制动，然后将天平砝码归
零。

细称时应注意几个问题：
一、称量前要用湿抹布擦拭桌面，保持桌面干净。

二、桌上放两张白纸，一张放药匙，一张放药品，且每换
一种药品都要换一次纸。

三、每次称量以“ 0”点消失时的数据为基准。

本过程需要制备BTO粉末 2.77g, 所需药品 BaCO3和 TiO2的量如表 2-1 所示。

表 2-1 第一次称量所需药品质量
药品名称BaCO3TiO2
摩尔质量（g/mol ）197.3479.88
纯度（ %）99.099.0
所需量（ mol）0.010.01
所需质量（ g） 1.99330.8068
所称质量（ g） 1.993530.80674
粗称质量（ g） 2.5 1.5
3.3 研磨
本实验在预烧前后有两次研磨，在压片前有一次研磨，研磨使用如图 2-3 所示的玛瑙研钵，研磨目的是为了将各种药品混合均匀，并且让药品的颗粒尺寸足够小。

研磨时一定要注意不要让药品撒出研钵，同时不要让杂质混入研钵。

具体的要求就是研磨时禁止说话和走动，在样品没有混合均匀前禁止用药匙等其他物品搅拌，这样做是为了保证比例的稳定性，提高样品的纯度。

另外，研钵在进行样品的研磨前一定要进行清洗，一般先用浓硝酸清洗，而后用水清洗，在水分蒸发完后再用酒精进行清洗，这样做能减少杂质的混入，提高样品的纯度。

图 2-3玛瑙研钵实物图图2-4 FW-4A 型粉末压片机
3.4 预烧
研磨后将样品放入氧化铝制成的烧结舟中，并将烧结舟放
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在管式炉中间的20－30cm处均可。

预烧温度梯度：从室温120min 升温至800℃，保温120min，自然降温至室温。

3.5 高温烧结制 BTO粉体
将预烧后样品研磨充分，放入氧化铝制成的烧结舟中，并
将烧结舟放在管式炉中间的 20－ 30cm处均可。

烧结温度梯度：从室温 240min 升温至 1200℃，保温 24h，
自然降温至室温
3.6 压片
烧结后的样品重新研磨，加适量粘结剂 PVC，将其压成直径
为 12～13mm、厚度为 1.5 ～2mm的薄片。

本实验所用压片机
为 FW-4A型粉末压片机，如图 2-4 所示：
我们分别采用不同压力（分别为 8Mpa、10Mpa、 12Mpa、12Mpa、12Mpa、12Mpa），不同的压力保持时间（30s、60s、90s、120s、150s、180s）对各替代样品的预烧混合物进行压片，结
果表明 , 压片压力为 12MPa、压力持续时间为120s 左右时，预
烧混合物最易压片成型。

压力过小、持续时间过短不易成片，
样品松散；压力过大持续时间过长，样品容易产生裂纹，易破
碎。

压片完成后把样品包装好放入储藏瓶中以待烧结。

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注意事项：首先要做好压片模具的清洁工作，这样可以保证待压片样品的纯度，避免杂质的混入。

其次要保证所施压力的均匀性，压力点必须正对工具的正中心，且要慢慢施加压力，避免忽快忽慢，听到一声响，即表示压片完成（在工具底部要放上最干净的棉花），这样可以提高样品的成型率和成型质量。

3.7 高温烧结制备 BTO块材
将样品放入氧化铝制成的烧结舟中，并将烧结舟放在管式炉中间的 20－30cm处均可。

烧结温度梯度：从室温 360min 升温至 1400℃，保温 6h，自然降温至室温即可得 BTO陶瓷材料样品
3参考文献
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