纳米钛酸钡粉体的制备与性能研究

论文摘要

本文系统地研究了超重力反应沉淀法制备的纳米钛酸钡粉体介电性能与烧结成瓷后陶瓷体微观结构特性；考察纳米钛酸钡粉体铁电相变的“尺寸效应”,并探索钛酸钡铁电相变的影响因素；采用“超重力反应沉淀结合水热晶型转化”的新方法,制备出颗粒尺寸在45-125nm范围内可控、结构缺陷少、晶体结构趋于四方相和符合化学计量比的单分散性纳米钛酸钡粉体；并考察了水热晶型转化过程中钛酸钡粉体的生长机理。首先以氯化钡、四氯化钛和氢氧化钠为原料,采用超重力反应沉淀法,在中试装置上制备出35nm的立方相钛酸钡粉体,粉体比表面积（53m2/g）较大。虽然该粉体具有很高的烧结活性,在1120℃烧结成瓷后陶瓷体的晶粒尺寸为0.5μm左右,但介电性能较低（室温介电常数约为2600,介电损耗达20%）。当粉体分别在500℃和900℃煅烧后,颗粒尺寸仍在100nm以下,粉体的比表面积减小到25m2/g和13m2/g左右。900℃煅烧后的粉体的晶体结构由原来的立方相向四方相转变。两种粉体在1140-1180℃烧结成瓷后陶瓷体晶粒尺寸增大到0.7-1.2μm左右,陶瓷体的介电性能升高（室温介电常数分别约为3600和4500,介电损耗为2%）。实验结果说明四方相钛酸钡粉体可以获得较高介电性能的陶瓷材料。利用XRD、Raman、TEM和TG手段分析400-1200℃温度范围煅烧后的钛酸钡粉体的铁电相变与颗粒尺寸之间的关系,得到钛酸钡粉体的“临界粒径”（铁电相转变）为70μm左右。实验发现纳米钛酸钡粉体中存在的羟基缺陷与钡离子空位是影响纳米钛酸钡粉体铁电相变的关键因素。热煅烧方法得到的钛酸钡粉体存在团聚现象严重和颗粒尺寸分布不均匀的缺点。其次,采用超重力反应沉淀结合水热晶型转化方法制备纳米钛酸钡粉体。首先进行小试实验,以立方相钛酸钡悬浮液为原料,在180-240℃水热环境下,制备出分散性好、结构缺陷少、晶体结构向四方相转变、粉体钡钛摩尔比符合化学计量比和颗粒尺寸为70-90nm的钛酸钡粉体。然后将水热晶型转化方法移植到超重力技术平台,得到颗粒尺寸在45nm-125nm范围内可控、规则形貌、单分散性和结构缺陷少的纳米钛酸钡粉体。粉体在1200℃烧结成瓷后表现出较好的介电性能（介电常数约4500,介电损耗2%左右）。对水热晶型转化过程的水热晶型转化机理进行了考察,得出组分扩散到钛酸钡晶核表面的扩散过程是水热晶型转化控制步骤的结论,实验结果符合Ostwald ripening模型和LSW理论。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 钛酸钡粉体的理化特性和应用
• 1.2.1 钛酸钡的晶体结构
• 1.2.2 钛酸钡介电性能
• 1.2.3 钛酸钡粉体颗粒尺寸效应
• 1.2.4 钛酸钡粉体相变的表征
• 1.2.5 钛酸钡的应用
• 1.3 钛酸钡粉体的合成
• 1.3.1 固相法（第一代）
• 1.3.2 共沉淀法（第二代）
• 1.3.3 水热法（第三代）
• 1.3.4 低温水相反应沉淀法（第四代）
• 1.3.5 超重力反应沉淀（第五代）
• 1.3.6 钛酸钡制备方法小结
• 1.4 新方法的提出
• 1.5 论文选题的目的和意义
• 第二章 研究内容和研究方案
• 2.1 研究内容
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验药品
• 2.2.3 实验装置
• 2.2.4 实验过程
• 2.2.5 分析、测试及表征
• 2.3 研究方案
• 第三章 超重力反应沉淀法制备的纳米钛酸钡粉体介电性能
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 未处理钛酸钡粉体的介电性能
• 3.2.2 钛酸钡粉体在500℃焙烧处理后的介电性能
• 3.2.3 钛酸钡粉体在900℃焙烧处理后的介电性能
• 3.3 小结
• 第四章 纳米钛酸钡铁电相转变行为的颗粒尺寸效应
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 颗粒尺寸及晶体结构分析
• 4.3.2 Raman光谱分析
• 4.3.3 晶格常数与临界粒径的计算
• 4.3.4 纳米钛酸钡热煅烧过程中晶格应力的变化
• 4.3.5 纳米钛酸钡热煅烧过程中羟基基团含量的变化
• 4.4 小结
• 第五章 结构缺陷对纳米钛酸钡相变行为的影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 粉体制备
• 5.2.2 分析测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 羟基缺陷的影响
• 5.3.1.1 颗粒尺寸及晶体结构分析
• 5.3.1.2 Raman光谱分析
• 5.3.1.3 FT-IR光谱和TG分析
• 5.3.1.4 羟基缺陷对相变的影响
• 5.3.2 金属离子空位对相变的影响
• 5.4 小结
• 第六章 晶型转化法制备纳米钛酸钡粉体
• 6.1 前言
• 6.2 粉体制备
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 颗粒尺寸分布控制
• 6.3.1.1 颗粒成核与水热晶型转化过程的分离
• 6.3.2 采用水热晶型转化方法制备钛酸钡粉体
• 6.3.2.1 低温水相沉淀法制备的钛酸钡粉体的特性
• 6.3.2.2 水热晶型转化法制备的钛酸钡粉体的特性
• 6.4 小结
• 第七章 水热晶型转化法制备钛酸钡粉体的超重力平台放大
• 7.1 引言
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 超重力反应沉淀法与低温水相沉淀法制备粉体的对比
• 7.2.2. 晶型转化温度的影响
• 7.2.3. 水热晶型转化时间的影响
• 7.2.4. 初始反应物中钛离子浓度的影响
• 7.2.5. 初始反应物中钡钛摩尔比的影响
• 7.2.6. 水热晶型转化法制备的钛酸钡粉体的介电特性
• 7.3 小结
• 第八章 水热晶型转化法制备钛酸钡纳米颗粒的生长机理研究
• 8.1 前言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 钛酸钡晶核的合成与生长
• 8.2.2 水热晶型转化速率的考察
• 8.2.3 粉体的TEM表征
• 8.3 实验结果与讨论
• 8.3.1 水热晶型转化模型
• 8.3.2 水热晶型转化方式
• 8.3.3 颗粒生长动力学的选择
• 8.3.4 水热晶型转化过程中的颗粒尺寸变化
• 8.3.5 晶相转化机理
• 8.4 小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 原料液浓度标定
• 附录2 钛酸钡粉体Ba/Ti摩尔比分析
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附件