氧化铝与助烧剂双层包覆锆酸钡复合粉体的制备及其陶瓷烧结性能的研究

论文摘要

相比于传统BaTiO3陶瓷,介电陶瓷BaZrxTi1-xO3具有很高的介电常数和很好的介电温度稳定性,具有应用于超级电容器的潜质。但是以多层陶瓷制作的超级电容器的陶瓷介质材料厚度应达到超薄水平,解决介质耐压问题是该研究领域的关键。如若将BaZrxTi1-xO3陶瓷应用于制造多层陶瓷超级电容器,其耐压强度需要提高,介电损耗需要降低。为此,本文的研究思路是,通过对其包覆具有良好绝缘特性的Al2O3层改善其耐压,并进一步包覆第二层助烧剂来改善其烧结活性。为了研究包覆过程及包覆层对粉体材料和陶瓷材料的组成、结构和微观形貌的影响,以烧结温度比较高的BaZrO3为研究对象,并且BaZrO3易于合成得到单分散的球形粉体颗粒,以其作为“芯”部材料,对其进行包覆,第一层为Al2O层,第二层为助烧剂层（Ti-Si-O与Zn-B-Si-O）o耐压层Al2O3不仅起到改善材料耐压性能而且还起到阻挡助烧剂与“芯”部材料相互扩散的作用；外层助烧剂促进材料形成致密陶瓷。通过粉体颗粒Zata电位的测定来确定沉淀法包覆时的pH条件,通过XRD、SEM、EDX能谱和XPS来表征包覆前后的材料的微观形貌,相结构和化学组成,进一步研究Al2O3包覆量、助烧剂包覆量对粉体和陶瓷相结构及微观形貌的影响,达到获得包覆Al2O3阻挡层的锆酸钡基粉体及其致密陶瓷的目的,为改善锆钛酸钡基材料的耐压特性奠定基础。本论文的主要研究内容如下：1、采用常压水相法合成BaZrO3粉体,研究了NaOH浓度及反应物浓度对BaZrO3粉体粒径的影响,实现了BaZrO3粉体的粒径可控合成。采用沉淀法制备BaZrO3@Al2O3粉体,研究了沉淀pH值,包覆前后BaZrO3粉体相结构、微观形貌及组成的变化。结果表明：随着NaOH浓度及反应物浓度的增加,BaZrO3粉体粒径减小。以NH3-H2O为沉淀剂,A1（NO3）3·9H2O作为铝源,制备BaZrO3@Al2O3复合粉体,室温条件下,pH值为9,Al3+浓度为1mol/L时,Al（OH）3可以包覆在BaZrO3粉体表面,经煅烧得致密Al2O3包覆层,制得的BaZrO3@Al2O3复合粉体材料仍为单分散球形。2、采用水解-沉淀包覆法对BaZrO3@Al2O3粉体表面进行助烧剂层Ti-Si-O（TSO）的包覆,通过XRD、SEM以及EDX能谱表征证实了双层包覆结构。研究了水解-沉淀包覆时的pH值,包覆前后BaZrO3@Al2O3粉体相结构、微观形貌及组成的变化。并研究了Al2O3及TSO助烧剂包覆量对复合陶瓷微观形貌及相结构的影响。结果表明：水解-沉淀包覆的最佳pH值为9,包覆后TSO助烧剂均匀连续地包覆在粉体表面。随着Al2O3或TSO助烧剂包覆量的增加,陶瓷的致密性呈现先增加后减小的趋势。当Al2O3包覆量为4wt%,助烧剂TSO包覆量为6wt%时,在1350℃烧结可获得致密陶瓷,烧结温度得到了大幅度的降低。此外,因Al2O3与TSO形成低熔点玻璃,Al2O3阻挡层被破坏,陶瓷的晶粒相对于粉体变大。3、采用溶胶-凝胶法在BaZrO3@Al2O3粉体颗粒表面上包覆助烧剂层Zn-B-Si-O （ZBSO）,获得了BaZrO3@Al2O3@ZBSO双层包覆改性粉体,其包覆层表面光滑,均匀连续。研究了ZBSO包覆前后BaZrO3@Al2O3粉体相结构、微观形貌及组成的变化。并研究了Al2O3及ZBSO助烧剂包覆量对陶瓷微观形貌及相结构的影响。结果表明：ZBSO助烧剂可以改善陶瓷的致密性,随着ZBSO助烧剂包覆量的增加,陶瓷的致密性呈现先增加后减小的趋势。Al2O3层对于ZBSO助烧剂起到阻挡作用,陶瓷晶粒仍维持着粉体颗粒大小。ZBSO助烧剂起到明显的助烧作用,而且还不会破坏Al2O3耐压层。

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Abstract

第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 锆钛酸钡系陶瓷材料研究概况

1.2.1 锆钛酸钡系陶瓷粉体的合成方法

1.2.2 锆钛酸钡系陶瓷的性能及应用

1.3 粉体的表面改性研究

1.3.1 “芯”部材料粒径的选择

1.3.2 表面包覆方法

1.4 低温烧结研究

1.4.1 助烧机制

1.4.2 助烧剂的分类

1.4.3 助烧剂的添加形式

1.5 选题的思路和研究内容

3@Al2O₃复合粉体的制备和表征'>第二章 BaZrO₃@Al2O₃复合粉体的制备和表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 样品的制备

2.3 结果与讨论

3粉体的相组成分析'>2.3.1 BaZrO₃粉体的相组成分析

3粉体的微观形貌'>2.3.2 BaZrO₃粉体的微观形貌

3粉体的Zata电位分析'>2.3.3 BaZrO₃粉体的Zata电位分析

3@Al2O₃的相组成分析'>2.3.4 BaZrO₃@Al2O₃的相组成分析

3@Al2O₃的微观形貌与EDX能谱分析'>2.3.5 BaZrO₃@Al2O₃的微观形貌与EDX能谱分析

3@Al2O₃的XPS能谱分析'>2.3.6 BaZrO₃@Al2O₃的XPS能谱分析

2.4 小结

3@Al2O₃@TSO双层包覆粉体及其陶瓷的制备和表征'>第三章 BaZrO₃@Al2O₃@TSO双层包覆粉体及其陶瓷的制备和表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 样品的制备

3.3 结果与讨论

3@Al2O₃粉体的Zata电位图'>3.3.1 BaZrO₃@Al2O₃粉体的Zata电位图

3@Al2O₃@TSO粉体的XRD'>3.3.2 BaZrO₃@Al2O₃@TSO粉体的XRD

3@Al2O₃@TSO粉体的微观结构及能谱分析'>3.3.3 BaZrO₃@Al2O₃@TSO粉体的微观结构及能谱分析

3@Al2O₃@TSO陶瓷相结构的影响'>3.3.4 助烧剂包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷相结构的影响

3@Al2O₃@TSO陶瓷微观结构的影响'>3.3.5 助烧剂包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷微观结构的影响

3包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷相结构的影响'>3.3.6 Al2O₃包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷相结构的影响

3包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷微观结构的影响'>3.3.7 Al2O₃包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@TSO陶瓷微观结构的影响

3.4 小结

3@Al2O₃@ZBSO双层包覆粉体及其陶瓷的制备与表征'>第四章 BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO双层包覆粉体及其陶瓷的制备与表征

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 主要试剂与仪器

4.2.2 样品的制备

4.3 结果与讨论

3@Al2O₃@ZBSO粉体的相结构分析'>4.3.1 BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO粉体的相结构分析

3@Al2O₃@ZBSO粉体的微观结构及能谱分析'>4.3.2 BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO粉体的微观结构及能谱分析

3@Al2O₃@ZBSO陶瓷相结构的影响'>4.3.3 助烧剂包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷相结构的影响

3@Al2O₃@ZBSO陶瓷微观结构的影响'>4.3.4 助烧剂包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷微观结构的影响

3包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷相结构的影响'>4.3.5 Al2O₃包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷相结构的影响

3包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷微观结构的影响'>4.3.6 Al2O₃包覆量对BaZrO₃@Al2O₃@ZBSO陶瓷微观结构的影响

4.4 小结

第五章全文结论及需进一步展开的工作

5.1 全文主要结论

5.2 需进一步开展的工作的建议

参考文献

硕士期间已发表的文章

致谢

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