功能陶瓷用超细BaTiO3粉体的分散性研究及机理探讨

论文摘要

BaTiO3基陶瓷由于其特殊的钙钛矿结构而成为一种重要的电子材料,广泛应用于多层陶瓷电容器（MLCCs）、晶界层电容器、正温度系数热敏电阻（PTCR）、气敏传感器、微位移驱动器等电子元器件的制造。随着钛酸钡粉体颗粒的细微化,其许多特殊优异的性能渐渐被发掘,其应用领域也不断拓宽。为控制颗粒的大小、分布以及粉体的分散性,有必要对钛酸钡形成过程中的成核与生长机理进行探讨。此外,湿法制粉的团聚现象普遍存在,团聚体的形成使粉体材料失去超细粉体的许多特异性能,因此对钛酸钡直接沉淀法制备过程的分散性研究也显得尤为重要。本课题首先对直接沉淀法制备钛酸钡的成核、生长与形成机理进行了初步的探讨。研究认为,钛酸钡是在产生吸附或共沉淀以及OH-催化的条件下,靠能量场（辐射热、超声场或微波场）为推动力,经过扩散、交换而形成的,而不是靠构晶离子的过饱和度为推动力,以反应自身的中和热为能源而形成的。在成核机理方面,成核作用主要受钛的水解所控制,并且是均相成核控制整个成核过程。同时由于H2TiO3晶核的快速生成,诱导了Ba（OH）2晶核的形成。对沉淀微粒的生长,认为存在着两种可能,其一是H2TiO3胶粒将Ba（OH）2聚集在一起,相当于共沉淀;其二是H2TiO3胶粒自身聚集,同时由于带负电而吸引溶液中的未形成晶核的Ba2+以及BaOH+于团聚体的表面。最后提出了从H2TiO3或Ba（OH）2微粒形成到生成产物钛酸钡的机理模型,并对形成过程的几种可能性进行了分析。在成核、生长与形成机理研究的基础上,着重从表面活性剂入手,利用表面活性剂具有良好的吸附与分散效果,寻求影响钛酸钡制备的基本规律。实验采用SEM、XRD、BET、FT-IR、粒度分析仪等分析手段,探讨了表面活性剂的种类、加入量、加入时间、加入方式等因素对产物团聚粒径与分散性的影响。研究结果表明,一定用量的不同表面活性剂的使用,对减小颗粒团聚,提高粉体分散性都有一定程度的作用。相对而言,在沉淀反应前的TiOCl2水溶液中添加0.5wt%的APG2065,可以明显改善BaTiO3粉体的分散性,有效抑制硬团聚的产生,获得颗粒较为均一的超细粉体,效果相对最好。研究课题尝试将超声场引入钛酸钡的制备过程,试图利用超声波产生的“空化效应”改善钛酸钡粉体的物理性能。实验考察了超声频率、超声功率、时间、温度以及其他因素对钛酸钡粉体团聚粒径以及分散性的影响。结果表明,一定条件超声场的使用可以改善粉体的大小、分布以及粉体的分散性。在本实验中,超声频率45 kHz,超声功率100 W,超声温度60℃,超声时间1h,水浴反应时间2h的合成条件下,对于减小粉体的团聚粒径,提高BaTiO3粉体的分散性具有相对较好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 钛酸钡化学性质与结构
• 1.2.1 钛酸钡化学性质
• 1.2.2 钛酸钡结构
• 1.3 钛酸钡的性能与应用
• 1.3.1 铁电性
• 1.3.2 压电性
• 1.3.3 介电性
• 1.3.4 热释电性
• 1.3.5 PTC 效应
• 1.4 钛酸钡制备方法研究动态及进展
• 1.4.1 固相法
• 1.4.2 液相法
• 1.5 液相法制备所得钛酸钡形成机理探讨进展
• 1.5.1 液相法制备所得钛酸钡晶相机理探讨进展
• 1.5.2 液相法制备钛酸钡形成机理探讨进展
• 1.6 超细粉体的分散性控制
• 1.6.1 固体颗粒在液体中的聚集状态
• 1.6.2 团聚体的分类及形成
• 1.6.3 超细颗粒的分散手段以及稳定机理
• 1.7 超细粉体粒度测定方法
• 1.7.1 激光粒度测量法
• 1.7.2 电子显微镜法
• 1.7.3 X 射线衍射法
• 1.7.4 比表面积测量法
• 1.7.5 沉降粒度分析法
• 1.8 本课题研究意义及主要内容
• 1.8.1 研究意义
• 1.8.2 研究内容
• 第二章 直接沉淀法制备钛酸钡及其成核、生长机理初探
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂与仪器设备
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.3 初始料液配制及浓度的确定
• 2.3.1 初始料液的配制
• 2.3.2 初始料液浓度的确定
• 2.4 钛酸钡粉体的制备
• 2.5 样品的表征方法及原理
• 2.5.1 FT-IR 表征
• 2.5.2 XRD 表征
• 2.5.3 SEM 表征
• 2.5.4 样品粒度表征
• 2.5.5 样品比表面积分析
• 2.5.6 样品Zeta 电位表征
• 2.5.7 样品光学显微表征
• 2.6 直接沉淀法所得钛酸钡的相关表征
• 2.6.1 XRD 表征
• 2.6.2 FT-IR 表征
• 2.6.3 SEM 表征
• 2.6.4 粒度及粒度分布
• 2.6.5 光学显微形貌
• 2.6.6 比表面积测定
• 2.7 直接沉淀法制备钛酸钡的成核、生长机理初探
• 2.7.1 钛酸钡形成过程的推动力
• 2.7.2 成核机理
• 2.7.3 生长机理
• 2.7.4 形成机理
• 2.8 本章小结
• 第三章 表面活性剂对钛酸钡粒径与分散性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 硬团聚与表面活性剂的作用机理
• 3.2.1 硬团聚产生的主要原因
• 3.2.2 表面活性剂的作用
• 3.3 表面活性剂种类的影响
• 3.4 表面活性剂添加量的影响
• 3.4.1 SDS
• 3 粉体的影响'>3.4.2 PEG400 及PEG6000 添加量对制备BaTiO₃粉体的影响
• 3.4.3 APG
• 3.5 表面活性剂加入时间的影响
• 3.6 表面活性剂加入方式的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 超声对钛酸钡制备过程的影响
• 4.1 引言
• 4.2 超声波的基本原理
• 4.3 实验步骤及工艺流程
• 4.4 超声反应条件的影响
• 4.4.1 超声反应时间的影响
• 4.4.2 水浴反应时间的影响
• 4.4.3 超声波频率的影响
• 4.4.4 超声波功率的影响
• 4.4.5 超声波温度的影响
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 超声反应时间的影响
• 4.5.2 水浴反应时间的影响
• 4.5.3 超声波频率的影响
• 4.5.4 超声波功率的影响
• 4.5.5 超声波温度的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 1. 直接沉淀法制备钛酸钡粉体
• 2. 直接沉淀法制备钛酸钡粉体成核、生长机理初探
• 3 粉体的影响'>3. 表面活性剂对制备 BaTiO₃粉体的影响
• 3 粉体的影响'>4. 超声波对制备 BaTiO₃粉体的影响
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文