纳米技术的研究与进展

目录：

钛酸钡陶瓷粉体的制备工艺及进展 (2)

1、引言 (2)

2、钛酸钡的性质 (2)

3 钛酸钡陶瓷粉体的制备 (3)

3.1、固相合成法 (3)

3.2、化学沉淀法 (4)

3.2.1、直接沉淀法 (4)

3.2.2、草酸盐共沉淀法 (5)

3.2.3、双氧水共沉淀法 (6)

3.3、液相法 (6)

3.3.1、溶胶-凝胶法 (6)

3.3.2、水热合成法 (7)

3.3.3、微乳液法 (8)

4、结束语 (9)

5、参考文献 (9)

钛酸钡陶瓷粉体的制备工艺及进展

陈丕雄

（海南大学材料与化工学院，海南海口570228）

【摘要】钛酸钡是一种重要的电子陶瓷材料,其粉体原料的制备技术近年来发展

十分迅速,这些制备方法各有其特点和应用。本文就钛酸钡陶瓷粉体的制备技术以及其研究进展作了综合评述。

【关键词】钛酸钡；陶瓷粉体；研究进展

1、引言

钛酸钡(BaTiO3)具有高介电常数及铁电、压电和正温度系数效应等优异的电学性能,广泛用于电子陶瓷工业中,是电子工业关键的基础材料,被誉为“电子工业的支柱”。纳米钛酸钡粉体的制备与研究一直是该领域的一个热点。近年来实验室研究工作主要集中在改进BaTiO3粉体的制备工艺、掺杂方式以及改善烧结行为等方面,目的是改善BaTiO3粉体的烧结性、显微结构和物理性质,尤其是介电性能,以使其适应环境更宽、应用范围更广。目前,合成钛酸钡的方法主要有:固相法、化学沉淀法、液相法等【1~4】。

钛酸钡粉体的超细化已成为钛酸钡材料发展的趋势,但其巨大的表面能和表面效应引起的团聚现象使超细粉体的优势难以发挥。而我国目前生产工艺还不完善,广泛采用的传统固相烧结法制得的粉体不仅粒度大,而且,粒径分布范围宽、纯度低、掺杂元素不均匀、波动性大、性能不稳定,极大地影响了陶瓷的性能,所以,需要的高纯的纳米钛酸钡绝大部分要依靠进口,在这种情况下,如何制备纳米钛酸钡粉体并实现产业化就成为我国科研工作者迫切要解决的一个重要课题【5~8】。

2、钛酸钡的性质

钛酸钡(BaTi03)又称偏钛酸钡，分子量为233.19。白色结晶粉末，溶于浓硫酸、盐酸和氢氟酸，不溶于稀硝酸、水和碱；其熔点为1625℃，密度为6.017g/cm3，有毒性。钛酸钡的晶体结构是典型的钙钛矿结构，具有理想的结构单胞，即立方对称性晶胞如图1所示。Ba2+离子和护一离子共同按立方最紧密堆积的方式，堆

积成O 2-处于面心位置的“立方面心结构”，而尺寸较小、电价较高的Ti4+离子则在八面体间隙中。每个Ba 2+离子被十二个O 2-离子包围形成立方八面体，其配位数为12;每个钛离子被六个氧离子包围形成八面体，其配位数为6；在每个护

一周围有四个Ba 2+和两个Ti 4+【9】

。

图1 钦酸钡的钙钦矿晶体结构图

Fig.The schematic diagram of ABO 3 perovskite type unit cell

(a) Unit cell when take Ba 2+ as origin :(b)Unit cell when take Ti 4+ as origin

3 钛酸钡陶瓷粉体的制备

钛酸钡陶瓷粉体的制备方法主要有固相法、化学沉淀法、液相法等。

3.1、 固相合成法

固相法是钛酸钡粉体的传统制备方法,典型的工艺是将等量碳酸钡和二氧化钛混合,在1500℃温度下反应24h ,反应式为:

BaCO 3+TiO 2 →BaTiO 3+CO 2↑。

其工艺流程图【10】示于图 2

图2 固相法制取钦酸钡粉体的工艺流程图

称取

BaCO3，TiO2 混合 湿式研磨 干燥 成型 煅烧

破碎 湿式研磨 干燥 钛酸钡粉体

该法工艺简单,设备可靠,但由于是在高温下完成固相间的扩散传质,故所得BaTiO3 粉体粒径比较大( 几微米) ,必须再次进行球磨;高温煅烧能耗较大;化学成分不均匀,影响烧结陶瓷的性能;团聚现象严重;较难得到纯BaTiO3晶相,总有少量BaTiO4 或其它钡钛化合物残留其中,粉体纯度低;原料成本较高。由于固相法制取的BaTiO3粉体质量较低,一般只用于制作技术性能要求较低的产品。

两步法烧结是固相法中一种特殊的方法，在烧结过程中先升温到最高温度不保温，立即以很快的速度降温到相对较低的温度长时间保温，从而得到钛酸钡陶瓷的方法。此法得到的钛酸钡陶瓷的晶粒尺寸远小于常规烧结得到的钛酸钡陶瓷的尺寸【11】。

邓湘云等人【12】利用两段式无压烧结和放电等离子体烧结工艺分别制备出致密的100 nm以下的系列纳米晶钛酸钡陶瓷, 其中包括首次通过两段式无压烧结制备出的目前国际上晶粒尺寸最小的高致密8 nm钛酸钡纳米晶陶瓷, 其相对密度高达99.6%。

3.2、化学沉淀法

化学沉淀法是在金属盐类的水溶液中,控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应,产生水合氧化物或难溶化合物,使溶质转化为沉淀,然后,经分离、干燥或热分解而得到纳米超微粒。化学沉淀法可分为直接沉淀法、草酸盐沉淀法和双氧水沉淀法等。

3.2.1、直接沉淀法

直接沉淀法是指在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂,控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应生成粉末沉淀物【13】。

王松泉和刘晓林等人【14】用一定比例的TiCl4与BaCl2混合溶液和NaOH溶液作为反应物,在80～90℃时反应,保持反应15～20min即制得纳米钛酸钡粉体,并对粉体进行表征得到：BaTiO3粉体形貌、粒径、比表面积及物相分析图3和图3分别是所制备的BaTiO3粉体的典型TEM照片和粒径分布图。从图3可以看出,采用直接沉淀法合成的BaTiO3粉体的形貌为球形,颗粒的平均粒径约为60nm,且粒度分布范围较窄,基本呈正态分布,如图3所示。粉体的BET比表面积为3412m2 /g。