压电陶瓷材料钛酸钡的制备

化学化工学院材料化学专业实验报告
实验名称：压电陶瓷材料钛酸钡的制备
年级：2010级材料化学日期：2012年9月20日
姓名：学号：同组人：
一、预习部分
压电陶瓷材料是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的材料。

所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。

反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。

这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。

电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。

用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。

地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。

压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用
它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。

这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。

它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

我们来看一种新型自行车减震控制器，一般的减振器难以达到平稳的效果，而这种ACX减震控制器，通过使用压电材料，首次提供了连续可变的减震功能。

一个传感器以每秒50次的速率监测冲击活塞的运动，如果活塞快速动作，一般是由于行驶在不平地面而造成的快速冲击，这时需要启动最大的减震功能；如果活塞运动较慢，则表示路面平坦，只需动用较弱的减震功能。

电子陶瓷用钛酸钡粉体超细粉体技术是当今高科技材料领域方兴未艾的新兴产业之一。

由于其具有的高科技含量，粉体细化后产生的材料功能的特异性，使之成为新技术革命的基础产业。

钛酸钡粉体是电子陶瓷元器件的重要基础原料，高纯超细钛酸钡粉体主要用于介质陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多层陶瓷
电容器、PTC热敏电阻器件与我们的日常生活密切相关，如PTC 热敏电阻在冰箱启动器、彩电消磁器、程控电话机、节能灯、加热器等领域有着广泛的应用；MLC多层陶瓷电容在大规模集成电路方面应用广泛。

钛酸钡(BaTiO3)是最早发现的一种具有ABO3型钙钛矿晶体结构的典型铁电体,它具有高介电常数,低的介质损耗及铁电,压电和正温度系数效应等优异的电学性能,被广泛应用于制备高介陶瓷电容器,多层陶瓷电容器,PTC热敏电阻,动态随机存储器,谐振器,超声探测器,温控传感器等,被誉为"电子陶瓷工业的支柱". 近年来,随着电子工业的发展,对陶瓷元件提出了高精度,高可靠性,小型化的要求. 为了制造高质量的陶瓷元件,关键之一就是要实现粉末原料的超细,高纯和粒径分布均匀. 研究可以制备粒径可控, 粒径分布窄及分散性好的钛酸钡粉体材料的方法且能够大量生产成为了一个研究热点.
钛酸钡是一种电子陶瓷材料。

目前国内传统的钦酸钡的生产方法是用BaCO3和TIO2按比例混合高温锻烧而制得,但此方法BaCO3和TIOZ是机械混和,混和不均匀,反应活性差;另有用TIC14和BaC12·2H2O为原料,用草酸作沉淀剂的化学共沉淀法,但这种方法需使用价格较高的TIC14、H2C204等为原料,生产成本高;还有其它一些生产方法,这些方法各有优缺点;本文使用钦白粉生产过程中的中间产品偏钦酸为原料,经净化处理,用化学共沉淀法生产钦酸钡。

实验结果表明,制得的BaTi03粉体纯度高(纯
度>99%)、Ba/Ti符合要求、径小。

钛酸钡的制备方法
固相合成法固相合成法
固相合成法固相合成法是制备BaTiO3粉体最传统的方法,此方法合成的BaTiO3粉体存在化学组分不均匀,颗粒较粗,粒径分布范围广等缺点,但是近几年来对于固相法的研究依然在延续. 研究了固相法制备的机理,首次用固相法制备了中空的BaTiO3颗粒. 与传统的固相法不同,他们所采用的工艺是:将粒径约为1μm的BaCO3颗粒分散使其悬浮于 peroxy-Ti水溶液中,通过沉淀作用在其表面包覆一层无定形TiO2.随后在700℃煅烧,由于核心区域材料的扩散远快于外层TiO2的扩散,得到的产物仍然能保持BaCO3颗粒原来的形貌,形成中空的BaTiO3颗粒.该结果的取得,丰富了固相法制备的原理.
沉淀法
沉淀法，具有方法简单，材料成本低，设备投资少，在生产中可以添加掺杂元素，直接制得某种配方的粉体原料，最适用于陶瓷元件的制造。

沉淀法是工业生产钛酸钡粉体较为广泛的一种方法，也是最先商业化生产的方法。

但该方法也存在一些缺点，如难以得到粒径很小的纳米粉体，颗粒容易团聚，粒径分布宽，需要一定的后处理，合成的粉体随着反应条件的微小变化，钛钡比波动较大，同时很容易引入BaCO3杂质，产品质量不稳定。

草酸盐共沉淀法
草酸盐共沉淀法是通过化学方法制备草酸氧钛钡, 经过滤, 洗涤, 干燥, 煅烧制得BaTiO3粉体.是继固相法后使用较多的一种制备BaTiO3粉体的方法。

草酸盐共沉淀法是一种制备纳米BaTiO3的可行方法,通过球磨,两步法煅烧等工艺,能制备粒径可控的BaTiO3粉体。

溶剂热法
普通溶剂热法
溶剂热法是指在密封压力容器中, 以水(或其它液体)作为溶剂(也可以是固相成份之一), 在高温,高压的条件下制备材料的一种方法.溶剂热法的优点:粉体晶粒发育完整,粒径很小且分布均匀;团聚程度很轻;可以使用较廉价的原料等.溶剂热法是低能耗,低污染,低投入的纳米粉体制备方法,产量也较高.但是,溶剂热法也有一些缺点:由于溶剂热法是在高温高压条件下进行的,对设备要求比较高;实验过程是在密封容器中进行的,反应前驱物一旦加入到反应容器中, 其制备体系中各种组份之间的配比和浓度等参数就不能改变; 实验过程中不能对实验过程进行全程观察, 也不能在实验过程中对反应体系进行随机取样, 以分析研究制备过程中体系的变化情况.近年来,溶剂热法制备BaTiO3引起了广泛的研究兴趣,
二、实验部分
（一）实验目的
1.了解压电陶瓷原料钛酸钡的制备方法。

2.了解XRD的测试原理及掌握对合成产品质量进行分析。

（二）实验设备和试剂
电子天平、烧杯、量筒、磁力搅拌器、分液漏斗（2个），布氏漏斗、抽率瓶、循环水真空泵，烘箱、温度计，滤纸，pH 试纸X-衍射仪
（三）实验原理
TiCl4+H2O→TiOCl2+2HCl
TiOCl2+BaCl2+4NaOH→BaTiO3↓+4NaCl+2H2O
该法的最大优点是可以直接得到结晶钛酸钡，通过控制反应PH，可以控制产物的粒径，得到纳米级的钛酸钡。

（四）实验试剂和仪器
仪器：电子天平、烧杯、量筒、磁力搅拌器、分液漏斗（2个）、布氏漏斗、抽滤瓶、烘箱、温度计、滤纸、PH试纸、循环水真空泵、X—衍射仪
试剂：氢氧化钠、氯化钡、四氯化钛、聚乙二醇、冰
（五）实验步骤；
1、各种溶液配置：BaCl2取，TiCl4取，钛钡混合液30ml，氢氧化钠取4g配成30ml；
2、取250ml烧杯，加50ml蒸馏水，加热到80—90℃，同时电磁搅拌；
3、氢氧化钠溶液和钛钡混合液近等速同时加入到烧杯中，整个过程约20min，同时保持温度在80—90℃，pH大于13；
4、反应结束后保温陈化30min，冷却陈化2h，过滤洗涤浆料，150℃干燥40min，研磨得到粉体，以备检测。

5、研磨好的粉体，用X—衍射仪对样品进行物相鉴定，并在图谱上标出晶面常数。

三、实验结果分析
X衍射仪的测定
将研磨好的分体用X衍射仪对制备的样品进行物相测定，所得图谱：
XRD分析：
实验所得图谱与标准的钛酸钡XRD图谱基本相同。

几个强度峰的位置大致在相同的范围内，所以可知该物质为钛酸钡。

但是实验所得图谱和标准图谱有微小差别，在20-30之间出现了两处不该出现的峰，可知实验所制备的钛酸钡材料中含有一定量的杂质，根据实验条件且碳酸钡PDF卡片对比，原料等原因探求，基本上可以确定杂质为碳酸钡。

造成含有碳酸钡杂质的原因可能是：制取NaOH溶液的时候吸收的空气中的CO2而生成碳酸钠溶液，里面含有碳酸根和钡离子反应生成碳酸钡杂质，所以在制取氢氧化钠溶液是最好现配现用，以免混入碳酸根杂质。

另外原因可能是反应过程中溶液的pH没有保持在13以上。

四．思考题
分析产品中的杂质可能引入的途径，采取哪些措施可以减少杂质的含量？
答：本实验的杂质主要集中在碳酸钡，估计为与空气接触造成碳酸钡生成。

可能引入的途径：1.氢氧化钠溶液没有现配先用。

2.装置暴露在空气中，使用的氢氧化钠部分变质为碳酸钠等。

减少杂质含量的措施：使装置封闭，氢氧化钠现用现配，煅烧充分等。