钛酸钡粉体的水热合成及性能研究

论文摘要

钛酸钡（简称BT）是电子陶瓷工业领域一种重要的基础材料,由于其具有高介电常数,良好的铁电、压电、耐压及绝缘等性能,被广泛地用于制作多层陶瓷电容器（简称MLCC）、热敏电阻、压电陶瓷和光电器件等。随着家电、计算机及通讯设备等的飞速发展,MLCC的需求越来越大。BT是制造MLCC的主要原料之一,MLCC的快速发展使得市场对高质量BT粉体的需求与日俱增。同时,随着MLCC向微型化、大容量等方向发展,需要进一步在工艺技术上实现介质层的薄层化和叠层的多层化,而高纯、超细、粒径均匀的BT粉体是实现上述目标的关键技术之一。本文对近年来钛酸钡粉体的制备技术进行了综述,通过比较各种技术的优缺点,选用水热合成工艺作为BT粉体的制备方法。研究了水热合成过程中反应温度、反应物浓度、反应物的钡钛摩尔比（Ba/Ti）、反应时间、不同钛源（TiCl4、纳米TiO2）、表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠、十二烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇2000）以及有机溶剂（乙醇和异丙醇）对粉体颗粒特征的影响。运用透射电镜（TEM）、激光粒度分析仪、比表面积测量仪、X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱仪（XRF）等测试仪器对粉体的微观形貌、粒径、比表面积、晶相组成、钡与钛的摩尔比（Ba/Ti）等进行了分析表征,并对其陶瓷的性能进行了探讨。取得以下研究成果:通过采用TiCl4-Ba（OH）2?H2O-NH4OH体系,对纯水介质条件下水热合成BT粉体的研究,明确了反应温度,反应时间,反应物Ba/Ti,反应物浓度以及不同钛源等工艺条件对粉体质量的影响:反应温度越高,晶体生长速率越大,粉体的粒径越大;随反应物Ba/Ti增大或反应物浓度升高,反应体系的过饱和度增大,成核速率提高,使得体系在相对较短的时间里形成更多的晶核,从而可得到晶粒粒径较小的BT粉体;随反应时间的延长,晶粒生长越充分,晶粒尺寸越大。同时,合成粉体的初始Ba/Ti过低会导致粉体中BaCO3杂质相含量增多。运用Visual Basic和Matlab联合编程实现了上述各反应条件与粉体粒径的灰色关联分析,明确了反应温度对粉体粒径的影响最大,其次是反应物Ba/Ti和反应物浓度,而反应时间影响最小。此外,通过对TiCl4和纳米TiO2两种钛源的比较研究,认为以TiCl4作为钛源可制备更优质的BT粉体。为了改善粉体的分散性,抑制晶粒聚集生长所导致的粉体颗粒尺寸较大、粒径分布过宽以及晶粒形状不规则等现象,研究了几类助剂对水热合成BT粉体颗粒特征的影响。实验结果表明:加入十二烷基苯磺酸钠,可使BT粉体的比表面积增大,平均粒径减小。但用量过大时会导致杂质相BaSO4生成。十二烷基三甲基氯化铵和聚乙二醇对粉体粒径影响较小。但当三种表面活性剂添加量适当时,都能明显改善粉体的分散性。有机溶剂异丙醇和乙醇均能减小BT粉体的平均粒径并改善其分散性,且效果明显好于三种表面活性剂。当反应温度为200℃,反应时间为4小时,乙醇浓度为25%时,合成了分散性良好,平均粒径约50nm的BT粉体,其粒径分布宽度d90-d10仅约100nm。升高反应温度到240℃,制得粒径分布宽度基本不变,平均粒径约84nm,且d90和d10变小,团聚指数AF（50）仅为1的粉体,其颗粒的均匀性和分散性得到进一步改善。水热合成BT粉体常规烧结工艺条件下的适宜烧结温度约为1250℃,此时其陶瓷的介电常数达到最大值。BT粉体的Ba/Ti比越接近于1,粉体结晶越完善,烧结后陶瓷的介电常数越高。微量组分Nb2O5或Nd2O3的掺入对BT陶瓷的介电常数和介质损耗影响较大,当Nb、Nd两元素的掺入量分别为0.3mol%、0.1mol%时,BT陶瓷的介电常数和介质损耗都达到最大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钛酸钡晶体的性质及应用
• 1.2 BT 粉体制备方法概述
• 1.2.1 BT 粉体制备方法研究进展
• 1.2.1.1 固相法
• 1.2.1.2 湿化学法
• 1.2.1.3 其它方法
• 1.2.2 水热制备技术
• 1.2.2.1 水热反应介质
• 1.2.2.2 BT 粉体水热合成工艺的优点
• 1.3 BT 粉体生产概况
• 1.4 多层陶瓷电容器
• 1.4.1 MLCC 的结构及应用
• 1.4.2 MLCC 陶瓷介质材料介绍
• 1.4.3 MLCC 发展趋势及对BT 粉体工业的影响
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第二章 钛酸钡粉体的水热合成研究
• 2.1 实验原料与主要设备
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 水热合成工艺流程
• 2.2.2 粉体的分析与表征
• 2.2.2.1 X 射线衍射分析
• 2.2.2.2 颗粒形貌与粒径分析
• 2.2.2.3 粉体钡钛摩尔比（Ba/Ti）分析
• 2.3 实验原理分析
• 2.3.1 晶体生长理论
• 2.3.1.1 晶体生长基本过程
• 2.3.1.2 晶核形成
• 2.3.1.3 晶体平衡形态理论
• 2.3.1.4 界面生长理论
• 2.3.1.5 周期性键链理论
• 2.3.1.6 负离子配位多面体生长基元模型
• 2.3.2 水热合成 BT 晶粒形成机制
• 2.3.3 BT 晶粒的聚集生长
• 2.4 结果分析与讨论
• 2.4.1 反应温度对水热合成 BT 粉体的影响
• 2.4.2 反应物Ba/Ti 对水热合成BT 粉体的的影响
• 2.4.3 反应物浓度对水热合成BT 粉体的的影响
• 2.4.4 反应时间对水热合成BT 粉体的的影响
• 2.4.5 钛源的影响
• 2.4.6 晶粒生长动力学分析
• 2.4.7 粉体 Ba/Ti 与 BT 结晶状态关系的分析
• 2.5 水热合成BT 粉体的灰色关联分析
• 2.5.1 灰色关联分析算法
• 2.5.2 灰色关联分析程序编写
• 2.5.3 程序调试
• 2.5.4 灰色关联分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 助剂对水热合成BT 粉体的粒径与分散性的影响
• 3.1 实验原料与主要设备
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 工艺流程
• 3.2.2 粉体的分析与表征
• 3.3 实验原理分析
• 3.3.1 液相中颗粒间的相互作用
• 3.3.2 超细粉体制备过程中的常用助剂
• 3.4 助剂对 BT 粉体的粒径和分散性的影响
• 3.4.1 助剂的选择与实验条件
• 3.4.2 表面活性剂对BT 粉体的粒径和分散性的影响
• 3.4.2.1 SDBS 的影响
• 3.4.2.2 DTAC 的影响
• 3.4.2.3 PEG2000 的影响
• 3.4.3 有机溶剂对BT 粉体的粒径和分散性的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 BT 陶瓷的的烧结与介电性能研究
• 4.1 介电性能相关知识
• 4.1.1 介电常数
• 4.1.2 介质损耗
• 4.2 BT 陶瓷的烧结及介电性能研究
• 4.2.1 实验原料与设备
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果分析
• 4.3 Nb、Nd 掺杂对BT 陶瓷介电性能的影响
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 Nb、Nd 掺杂对BT 陶瓷介电性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与创新点
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文