功能陶瓷用超细BaTiO粉体的分散性研究及机理探讨

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闭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45kHz，超声功率100W，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

3.4.2 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

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文