纳米粒子及其掺杂钛酸钡基介电陶瓷的制备与表征

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钛酸钡(BaTiO3)材料具有铁电、压电、热电、介电等特性,被广泛用于制造高介电容器、热敏电阻和换能器等,特别是用作多层陶瓷电容器(MLCC)的基质材料。目前,MLCC向高可靠性、高比容(小尺寸大容量)和低成本的趋势发展。因此制备高纯超细的BaTiO3粉体以及掺杂改的性研究是该领域研究的热点。本文以油酸(OA)为表面活性剂,采用两相法合成了单分散纳米TiO2、ZrO2和Cu;采用H2TiO3共沉淀法制备了分散性较好的BaTiO3粉体及其介电性良好的介电陶瓷。采用水热法和沉淀法合成了分散性较好的Nd(OH)3纳米线和Co3O4纳米立方体,以及Nb2O5纳米颗粒,并进一步制备了纳米Nd(OH)3、Co3O4和Nb2O5分别掺杂及其复合掺杂的高介电常数的温度稳定型BaTiO3基陶瓷。主要研究内容如下:1、以OA为表面活性剂,环己烷为溶剂,采用两相法合成了单分散TiO2纳米棒、ZrO2和Cu纳米颗粒。研究发现,改变反应时间、NaOH的浓度以及用氨水替代NaOH时,对TiO2纳米棒的长度和直径影响不大;当以乙醇替代环己烷时,得到TiO2纳米颗粒;但是,在水相中加入硝酸钙后,得到了较长的TiO2纳米棒。2、同时,采用两相法合成了单分散ZrO2和Cu纳米颗粒。改变OA的量对纳米四方相ZrO2颗粒的粒径影响不大,但无OA时,合成的ZrO2纳米颗粒由四方相和单斜相组成,其粒径也较大。采用水热法和沉淀法合成了Nd(OH)3纳米线和Co3O4纳米立方体,以及Nb2O5纳米颗粒,前躯体浓度和的滴加氨水速度对Nb2O5的粒径和形貌有影响。采用两相法可以有效的控制纳米晶的尺寸和形貌,为纳米材料的制备提供了一种有效的方法,这也为进一步研究纳米掺杂BaTiO3奠定了基础。3、以OA作为表面活性剂,采用H2TiO3共沉淀法制备了单分散BaTiO3纳米粉体,其粒径范围为30-50 nm。当[H2TiO3]/[OA]比为1:1时,850℃/2h煅烧的粉体存在BaCO3和TiO2相,而当用量OA较少([H2TiO3]/[OA]比为2:1和3:1)或者不加OA时,煅烧粉体为纯BaTiO3。[H2TiO3]/[OA]比为2:1的粉体在1250℃/2h烧结得到的陶瓷密度为5.6 g·cm-3,室温介电常数为2586,介电损耗为0.020。4、以Nd(OH)3纳米线为模板采用反应模板生长法合成了棒状的掺钕BaTiO3纳米粉体,其主晶相为BaTiO3,含有少量的TiO2和Ba6Ti17O40杂相,并且随着煅烧温度的提高,Nd(OH)3纳米线原有的形貌逐渐消失。5、当以少量(0.5~2.5 mol%)的纳米Nd(OH)3掺杂BaTiO3时,陶瓷介电常数随掺杂量的增加,呈先增大后减小的趋势,居里峰向低温方向移动。当掺杂量为1.0mol%时,随煅烧温度和烧结温度的提高,陶瓷介电常数也呈现先增大后减小的趋势,在900℃/2h煅烧和1250℃/2h烧结得到的陶瓷没有出现如线状棒状的形貌;陶瓷的密度为5.8 g·cm-3,室温介电常数达到3873,介电损耗为0.016。6、纳米CoO4掺杂BaTiO3陶瓷时,随掺杂量的增加(0.5~2.5 mol%),介电常数呈先增大后减小的趋势,居里峰没有发生改变。当掺杂量为1.5 mol%时,提高粉体煅烧温度和陶瓷的烧结温度,陶瓷介电常数呈现减小的趋势;800℃/2h煅烧和1250℃/2h烧结得到致密的BaTiO3基陶瓷,介电常数最大(10995)。纳米掺杂可以提高陶瓷介电常数,降低烧结温度,具有细晶化陶瓷的作用。7、采用不同形貌和粒径的纳米Nb2O5掺杂BaTiO3,得到了低烧、高介和稳定性较好的BaTiO3纳米瓷料;特别是采用单分散的纳米Nb2O5作为掺杂剂,出现了明显的“双峰”,能够显著地改善BaTiO3基陶瓷的介电温度稳定性。进一步采用纳米Nd(OH)3、Co3O4和Nb2O5复合掺杂时,所得BaTiO3基陶瓷,在1250℃/2h烧结,陶瓷晶粒分布均匀、致密,其介电温度稳定性达到了X7R的标准。
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