激光快速凝固法制备功能陶瓷材料研究

摘要

功能陶瓷材料学是现代材料科学与工程中极具活力和应用潜力的分支之一，其研究主要集中在功能陶瓷的组成、结构、性能和制备四个方面。功能陶瓷的制备技术对所制材料的结构和性能极具影响，因而在功能陶瓷材料研究中占据重要地位。在众多制备方法中，激光烧结技术是一种新颖的制备技术，具有烧结时间短、效率高、可有效降低样品污染等优点。激光快速凝固(Laserrapidsolidification，LRS)技术是激光烧结技术的一种，近几年已初步应用于制备性能优良的功能陶瓷，但该技术目前仍处于探索阶段。
　　BaTi2O5(BT2)是一种介稳相，其铁电性能仅仅表现在其b轴方向，且常规技术手段难以制得同时具备高纯度和b轴择优取向的BT2块体材料;BaTi4O9(BT4)是一种微波介质陶瓷，常规方法难以制得具有高介电常数的BT4;SrBi2Nb2O9(SBN)具有独特的层状结构，其物理性能具有明显的各向异性，常规方法制备的织构SBN不具备b轴择优取向。鉴于上述原因，结合激光快速凝固技术的特点，本文选取BT2、BT4和SBN为研究对象，采用激光快速凝固技术制备三种功能陶瓷，对这三种功能陶瓷材料的制备工艺、组成、结构、性能进行系统研究，并对激光快速凝固技术的机理特点进行分析，为推广该技术应用于功能陶瓷生产中积累实验经验和奠定一定的理论基础。
　　论文采用LRS技术，成功制得高纯的BT2、BT4和SBN织构陶瓷，并对制得的目标材料进行介电性能研究。主要研究成果如下:制得的BT2铁电陶瓷具有b轴择优取向，拥有较高的致密度(97.5％)，较高的择优取向度(0.42)，具有较高的居里相变温度(443℃)，在100kHz下，其最大介电常数（εmax）为6000，居里-外斯温度(T0)为410℃，居里-外斯常数(C)为2.08×105K;制得的BT4微波介质陶瓷具有c轴择优取向，同样拥有较高的致密度(99.6％)，较高的择优取向度(0.46)，在1MHz下，c轴方向上的介电常数(ε)为85，介电损耗(tanδ)为0.083，介电常数温度系数(τε)为1.96×10-4/℃，相比于传统固相反应烧结法制得的BT4，ε值提高约120％;制得的SBN铁电陶瓷具有b轴择优取向，亦具有较高的致密度(99.6％)，较高的择优取向度(0.78)，其相变温度Tm为317.4℃，相变具有一定的弥散性，弥散因子（γ）为1.31。
　　通过采用LRS技术对三种目标材料的制备，发现三者均具备织构化的结构，其织构方向均沿各自结点密度最小网面的法线方向生长;三者均具有层片状的微观结构，该层片垂直于样品表面以及平行于激光束入射方向。目标材料产生沿该方向产生织构的根本原因由其内秉特性决定，根据布拉维法则，晶体在生长时，其晶粒优先沿结点密度最小网面的法线方向生长，这是BT2、BT4和SBN分别在b、c和b轴方向上产生择优取向的根本原因。宏观上，晶体生长的方向即熔体的凝固方向，沿着逆温度梯度方向，即由样品表面指向样品内部，垂直于样品表面。当凝固完成时，晶体的生长亦随之结束，最终形成具有层片状微观结构的多晶的织构化块体陶瓷材料。研究过程中亦发现，通过控制样品凝固过程中其内部的温度梯度方向，可以适当地提高样品的择优取向度。
　　研究同时亦发现，LRS技术是一种高效的合成高纯度陶瓷材料的方法，在大功率激光的辐照作用下，样品素坯在较短的时间内升温至熔融状态，熔体内部存在着巨大的温度梯度、强烈的热量传递和物质传导，这促使各组分之间充分反应进而制得高纯度的目标材料;在含挥发性元素或原料的陶瓷材料的LRS技术制备方面，可以在配料阶段适当增加含挥发性元素原料的配比，再通过正交实验觅得合适的激光烧结工艺参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 陶瓷材料的制备方法介绍

1．1．1 常规陶瓷制备技术

1．1．2 激光烧结技术

1．2 功能陶瓷材料介绍

1．2．1 功能陶瓷材料的分类

1．2．2 铁电陶瓷材料

1．2．3 微波介质陶瓷

1．3 BaTi2O5、BaTi4O9和SrBi2Nb2O9介绍

1．3．1 BaTi2O5铁电陶瓷及其常见制备方法

1．3．2 BaTi4O9微波介质陶瓷及其常见制备方法

1．3．3 SrBi2Nb2O9铁电陶瓷及其常见制备方法

1．4 研究课题的提出

1．5 本论文的主要内容

第二章 激光快速凝固技术的物理原理及实验仪器介绍

2．1 激光快速凝固技术中的物理原理

2．1．1 激光与材料相互作用的基本原理

2．1．2 凝固学与晶体生长学介绍

2．2 激光烧结陶瓷的实验设备介绍

2．3 样品材料的表征方法及测试仪器介绍

2．3．1 密度的测试与计算

2．3．2 X射线衍射谱测试

2．3．4 显微形貌观测

2．3．5 介电性能测试

第三章 激光快速凝固法制备织构化BaTi2O5及其介电性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 实验结果分析与讨论

3．3．1 实验参数的确定及物相分析

3．3．2 微观形貌分析及晶粒生长分析

3．3．3 介电性能分析

3．4 本章小结

第四章 激光快速凝固法制备高介电常数BaTi4O9微波介质陶瓷

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 实验结果分析与讨论

4．3．1 实验参数的确定及物相分析

4．3．2 微观形貌分析

4．3．3 介电性能分析

4．4 本章小结

第五章 激光快速凝固法制备织构化SrBi2Nb2O9铁电陶瓷及其介电性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 实验结果分析与讨论

5．3．1 实验参数的确定及物相分析

5．3．2 微观形貌及晶粒生长分析

5．3．3 介电性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的发明专利

致谢