BaTiO3粉体的溶胶凝胶—水热法合成及其表征

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BaTiO3是研究最活跃、最具有代表性的电子陶瓷材料之一,因其具有优异的介电、铁电、压电和绝缘性能,被广泛应用于制造多层陶瓷电容器(MLCC)、热敏电阻、铁电和压电器件等,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。随着电子信息技术的飞速发展,人们对BaTiO3陶瓷材料的性能提出了更高的要求,而BaTiO3陶瓷的性能很大程度上取决于原料BaTiO3粉体的质量。通过传统固相反应合成的BaTiO3粉体,由于存在粒径较大,粒度分布不均匀等缺点,已经不能满足精密器件的性能要求,因此研制能够制备出纯度高、结晶性好、粒径小和分散性好的BaTiO3粉体的方法是电子陶瓷材料领域发展的实际需要。本文综述了近年来BaTiO3粉体的制备方法,并且比较了其各自的优缺点,尝试采用将溶胶-凝胶法与水热法相结合的溶胶凝胶-水热法来制备BaTiO3粉体。系统地研究了反应原料Ba/Ti摩尔比、水热温度、水热时间、矿化剂KOH摩尔浓度和不同分散剂(十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇6000)等因素对BaTiO3粉体颗粒特征的影响,并与采用溶胶-凝胶法制备的BaTiO3粉体进行了对比研究。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等分析测试手段对所得产品的晶体结构、组成、粒径和形貌等性质进行了表征。本课题主要实验结果如下:(1)以Ti(OBu)4和Ba(CH3COO)2分别作为钛源和钡源,采用溶胶凝胶-水热法在较低的水热处理温度(120℃)和较低的矿化剂KOH浓度(2.0M)下反应12h,成功制备出纯度较高,结晶性较好,形状为近似球形的立方相BaTiO3颗粒。通过改变矿化剂的浓度(1.0M-8.0M)可以对BaTiO3颗粒在尺寸上进行调控。升高水热温度和延长水热时间均有利于促进BaTiO3晶体的生长,但当温度升高到120℃,时间延长至12h,可能由于BaTiO3的生长已经达到平衡,晶体发育已比较完善,继续升高温度或延长时间对产品的结晶性、尺寸和形貌的影响均不明显;提高反应物的Ba/Ti和增加矿化剂KOH的浓度,BaTiO3颗粒的尺寸均呈现减小的趋势。(2)将制备的干凝胶前驱体在不同的温度下进行高温煅烧处理,即采用传统的溶胶-凝胶法制备BaTiO3粉体。将采用两种不同工艺合成的产品进行比较,溶胶凝胶-水热法只需要120℃的温和条件就可以直接获得结晶较好的立方相BaTiO3,而溶胶-凝胶法则需要800℃以上的高温条件才可使产物的结晶达到比较完善;并且溶胶凝胶-水热法比溶胶-凝胶法所得到颗粒的分散性好、尺寸均匀。因此,比较两种方法,溶胶凝胶-水热法表现出一定的优势。(3)由于采用溶胶凝胶-水热法制备的BaTiO3颗粒还是存在一定程度的团聚现象,因此为了改善BaTiO3粉体的分散性,抑制颗粒的聚集生长引起的粒径分布过宽和颗粒尺寸较大等现象,分别研究了三种分散剂对BaTiO3颗粒尺寸和分散性的影响。实验结果表明:加入适量(0.1%)的十二烷基本磺酸钠,可使BaTiO3颗粒尺寸减小,分散性提高,但用量过大会使分散性又变差且有少量的杂质BaSO4生成;十六烷基三甲基溴化氨对改善BaTiO3粉体的分散性效果不很明显,用量达到15%才会使分散性有一定程度改善;加入适量(5%)的聚乙二醇6000能使颗粒尺寸减小并且明显改善BaTiO3粉体的分散性。
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