BaTiO3陶瓷基的制备和不等价掺杂改性研究

BaTiO3陶瓷基的制备和不等价掺杂改性研究

孙郑楠汤晟玮蒋登荣黄志强孙吉昊

西华大学610039

摘要：小型化、轻薄化电子设备的发展驱使着电子元器件逐步走向片式化。高介电常数的陶瓷材料是制造小型化的高容量电容器的不贰之选。BaTiO3基陶瓷因具备高的介电常数和低的介电损耗而广被推崇。本文主要研究通过调整BaTiO3陶瓷基的制备方法和掺杂手段提高BaTiO3陶瓷基的介电性能。

关键词：BaTiO3；陶瓷；制备；不等价掺杂；Al3+

一、BaTiO3基陶瓷概述

1.1BaTiO3基陶瓷的制备方法

现今制备BaTiO3基陶瓷的方法从状态上分为三类：a.固相法；b.液相法；c.气相法。

固相法为市面上工业生产BaTiO3陶瓷粉体的主要方法，因操作简单、成本低廉而广被推崇。此法的关键工艺在于根据化学反应式配比原料和煅烧。最直接的方式是采用BaCO3混合TiO2直接制备。

BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑

但此方法也存在一些不可避免的缺陷：①原料难以均匀混合且机械混合所需时间过长，期间易造成污染；②所获粉体因为纯度低、粒径大所以活性比较低。

1.2BaTiO3基陶瓷的掺杂改性

钛酸钡陶瓷是ABO3钙钛矿型结构的铁电材料。介电常数在低温区变化平坦，高温区变化幅度大，所以其温度稳定性差，适应不了复杂的工业需求。掺杂改性是在纯净的基质使用物理或化学方法掺入其他杂质元素或化合物。我们可以通过掺杂改性的手段调整钛酸钡材料的居里点和介电峰值。

二、固相法制备BaTiO3基陶瓷

2.1配料、球磨、预成型

首先根据方程式配方进行配料。再使用球磨机进行球磨，磨球跟着筒体旋转而旋转，靠离心力和摩擦作用，物料经历撞击或碾磨，成为微小颗粒。最后再将粉料装入模具，在压力下预压成型。

2.2烧结

烧结过程一般分为三个阶段：①升温过程、②保温过程、③降温过程。

（1）升温过程

升温过程一般又为两个阶段：①从室温升到100℃、②从100℃升温到所需烧结温度。第一阶段本次升温速度为1℃/min；第二阶段本次升温速度为3℃/min。

（2）保温过程

保温时间和最高烧结温度之间可以相互制约、补偿。最高烧结温度，主要通过综合热分析来确定。本次采用试烧手段来确定最高烧结温度。

（3）降温过程

降温过程中最重要的内容是降温方式，一般常用三种降温方式：a.保温缓冷；b.随炉冷却；c.淬火急冷。本次采用的是随炉冷却的方式。

2.3焙银

陶瓷样品表面在初烧结后存在诸多缺陷，因此一般在烧结后对其进行抛光、烘干等处理。最后均匀涂抹银浆在样品表面形成银电极，烘干后进行高温处理，升温到810℃，保温10分钟后形成电极。

三、BaTiO3基陶瓷性能测试

3.1相对密度

四、Al3+掺杂后BaTiO3基陶瓷性能比较

4.1相对密度

因为Al3+掺杂后导致样品的晶粒尺寸减小，气孔率降低，均匀强度增加，所以随着Al3+含量的增加，BaTiO3材料的密度随之增加。

4.2介电性能

因在Ti位引入Al3+后，样品的弥散程度增强。众所周知，居里点处的介电常数与自发极化有关，且自发极化与晶格常数有关，而Al3+离子半径小于掺杂前的离子半径，所以随着Al3+的增加，居里峰降低并且展宽，同时居里点处的介电常数减小。

五、总结

采用固相法制备可得晶粒均匀，结构致密的陶瓷产品，且随着Al3+掺杂增加，陶瓷样品的介电峰值会逐渐展宽，居里温度有趋势往低温的区域挪动。

参考文献：

【1】G.H.Stewart，ed，“ScienceofCeramics”，TheBritishCeramicSociety，Stoke-on-Trent，U.K.（1968）

【2】•W.D.金格瑞等著“陶瓷导论”清华大学译，中国建筑工业出版社，（1982）

【3】D.Kolaret.al，5+“Proc.ofInternationalSymposiumofFactorsinDensificationandSinteringofOxideandNon-oxideCeramics”，P.206-277（1982）