粉體均勻性對(duì)固相法合成bio

粉體均勻性對(duì)固相法合成bio

batio3粉體的制備工藝及應(yīng)用中的熱點(diǎn)問題batio3中壓陶瓷電池是中壓電阻器、變壓器、雷達(dá)、電子顯微鏡等各種測(cè)試設(shè)備的重要元件之一。制備BaTiO3陶瓷時(shí),合成的BaTiO3粉體的質(zhì)量對(duì)于最終陶瓷材料的性能有很大的影響。合成BaTiO3粉體的方法有很多種,如固相法、水熱法、化學(xué)沉淀法等,但在我國(guó)目前最常見、最經(jīng)濟(jì)可行的方法是固相法,即將TiO2和BaCO3粉體經(jīng)混合球磨后,在一定的溫度下于一定的時(shí)間燒塊合成BaTiO3粉體,之后按照一定的化學(xué)組成,造粒壓片,最終經(jīng)固相燒結(jié)后制得陶瓷樣品。BaTiO3粉體的晶體結(jié)構(gòu)、分散度、雜質(zhì)成分以及均勻性大大影響著BaTiO3陶瓷的電性能。因而如何提高在制備BaTiO3陶瓷的工藝過程中的均勻性,包括Ba/Ti(摩爾比)、粘接劑分布、粉體顆粒度分布、坯體密度分布等參數(shù),是廣大科技工作者,尤其是工廠、企業(yè),積極探求和研究的熱點(diǎn)問題。本文主要研究了球磨工藝對(duì)固相法合成BaTiO3粉體及燒成后的BaTiO3陶瓷介電性能的影響。1batio3粉體的制備與粒度分析實(shí)驗(yàn)原料采用工業(yè)純TiO2(金紅石型)、BaCO3等粉體。按原料:磨球∶水=1∶1∶1進(jìn)行配料,在一定的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行球磨。再將磨好的漿料烘干,然后燒塊合成。將合成的BaTiO3團(tuán)塊用小型振動(dòng)粉碎機(jī)粉碎后,研磨稱粉,再加入小料(CaSnO3、MnCO3、ZnO、CaZrO3、MgTiO3、Al2O3、SiO2等),球磨24h后,烘干,制備的粉體造粒,并干壓成直徑為13mm、厚為2mm的圓片。在電阻爐中在一定的溫度下燒成。制得的BaTiO3粉體采用(島津SA-CP3)粒度分析儀測(cè)定粒度及粒度分布;對(duì)制得的BaTiO3陶瓷分別采用50kV耐壓分析儀進(jìn)行耐壓測(cè)試、采用2646B型電容測(cè)量分選儀測(cè)定電容器的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗(溫度范圍為-25~85℃)。2結(jié)果與討論2.1球磨時(shí)間對(duì)tio3粒徑的影響分別采用容積為4L和20L的滾筒球磨BaCO3粉體,粉體球磨時(shí)間對(duì)粒度和比表面積影響如圖1所示。從圖1中可以看出,20L筒和4L筒的平均粒度在開始球磨初期有大幅的增長(zhǎng),這說明了BaCO3球磨剛開始就發(fā)生了較大范圍的凝聚。比表面積的先減小后趨于平緩也說明了球磨開始后就發(fā)生了凝聚。在相同球磨時(shí)間下,20L筒平均粒徑比4L筒小,而比表面積20L筒比4L筒大,說明相同的球磨時(shí)間,越大的筒粉碎效果越明顯,同樣凝聚效果也越明顯。在陶瓷材料的粉碎過程中,隨著粒度的細(xì)化、比表面積增大,表征體系的分散度也在增大。在經(jīng)過一定時(shí)間的粉碎后,顆粒表面出現(xiàn)不飽和力場(chǎng)及帶電的結(jié)構(gòu)單元,使顆粒處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài),因此在顆粒自身所受重力相對(duì)較小時(shí),顆粒間就產(chǎn)生團(tuán)聚,使顆粒變粗。由圖2可以看出,在相同球磨時(shí)間下TiO2平均粒徑隨時(shí)間沒有大的變化,說明TiO2在球磨過程中,粒度大小沒有顯著變化。因而在合成BaTiO3時(shí),BaCO3的球磨對(duì)合成粉體的性能有較大的影響。表1為采用4L和20L筒球磨BaCO3、TiO2粉體6小時(shí)后經(jīng)燒塊合成BaTiO3陶瓷電性能數(shù)據(jù)。從表1可以看出,在1280℃和1295℃的燒成溫度下,4L筒球磨的BaTiO3電容介電常數(shù)和耐電強(qiáng)度高于20L筒球磨的BaTiO3,介電損耗則低于20L筒球磨的BaTiO3。這說明凝聚程度較小的4L筒球磨出的BaTiO3料具有更好的介電性能,不同的凝聚效果對(duì)介電性能有不同的影響。2.2兩種粉碎方法的比較滾筒球磨和攪拌磨是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的兩種粉碎方式,在BaTiO3陶瓷的制備過程中的粉碎效果的差異對(duì)BaTiO3陶瓷的電性能有很大的影響。滾筒球磨是最常用的一種粉碎裝置。被粉碎的物料和球磨介質(zhì)(即料和球)裝在一個(gè)圓桶形容器球磨罐中。球磨罐旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)球撞擊和磨消物料,達(dá)到粉碎的目的。一般來說,磨機(jī)轉(zhuǎn)速越大,粉碎效率越高。但當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)就失去粉碎作用。攪拌磨是由直立固定的圓筒和旋轉(zhuǎn)的槳葉構(gòu)成。磨球采用1~6mm的粒狀瓷球或鋼球。待磨漿料由筒底泵入,經(jīng)研磨后由上部溢出。磨球總量約占筒有效容積的一半。中軸帶動(dòng)槳葉以700~1400r/min的速度旋轉(zhuǎn),給予磨球極大的離心力和切線加速度,球和球,球和壁之間產(chǎn)生滾碾摩擦。因研磨粒度下限比振磨低,固稱超細(xì)粉碎。表2為采用兩種粉碎方法時(shí)BaTiO3陶瓷介電性能結(jié)果。從表2中可以看出,將由滾桶磨合成的大塊瓷料制得的電容片(見滾筒組結(jié)果)與由攪拌磨合成的大塊瓷料制得的電容片(見攪拌組結(jié)果)相比,可以看出,在1290℃和1305℃的燒結(jié)溫度下,由滾桶磨制得的電容片的耐電強(qiáng)度高于由攪拌磨制得的電容片的耐電強(qiáng)度,而在1320℃的燒結(jié)溫度下,二者基本接近。由表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在三種不同的燒結(jié)溫度下,由滾桶磨制得的電容片的介電常數(shù)都低于由攪拌磨制得的電容片的介電常數(shù)。圖3為在-25℃~+85℃范圍內(nèi)測(cè)得在不同的溫度下樣品的溫度特性曲線。由下面的溫度特性曲線可以看出,在相同的測(cè)試溫度下,由滾桶磨制得的電容片的電容值要低于由攪拌磨制得的電容片的電容值;對(duì)于居里點(diǎn)處的電容值峰值,由滾桶磨制得的電容片也是明顯低于由攪拌磨制得的電容片。2.3球磨時(shí)料球與水球磨c如前所述,BaCO3粉體的團(tuán)聚比TiO2的更明顯。且球磨混料中出現(xiàn)類似團(tuán)聚,通過改變混料次序來研究其對(duì)BaTiO3粉體均勻性及電容器介電性能的影響,將以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與BaCO3和TiO2同時(shí)球磨混料結(jié)果相對(duì)比:(1)先取BaCO3∶H2O=1∶1,加入帶聚氨酯硬襯的20L大桶中,料∶球∶水=1∶1∶1,球磨10小時(shí)后加入TiO2∶H2O=1∶1,再繼續(xù)球磨2小時(shí)(簡(jiǎn)稱先鋇后鈦)。(2)先取TiO2∶H2O=1∶1,加入帶聚氨酯硬襯的20L大桶中,料∶球∶水=1∶1∶1,球磨10小時(shí)后加入BaCO3∶H2O=1∶1,再繼續(xù)球磨2小時(shí)(簡(jiǎn)稱先鈦后鋇)。由圖4可見,在三個(gè)不同燒結(jié)溫度下,采用先鋇后鈦球磨的物料所制得試樣的介電性能比鋇鈦同時(shí)球磨要好的多,損耗測(cè)試結(jié)果相差不大。由圖5亦可看出,居里點(diǎn)介電常數(shù)峰值均是先鋇后鈦?zhàn)罡?其峰值比鋇鈦同時(shí)球磨時(shí)提高了3266(燒結(jié)溫度為1305℃),且其居里點(diǎn)溫度不變;鋇鈦同時(shí)球磨的介電常數(shù)峰值最低,且其居里點(diǎn)溫度由20℃移到10℃,居里點(diǎn)變化較大。說明先球磨BaCO3粉體10小時(shí)后再加入TiO2粉體繼續(xù)球磨2小時(shí)所得的物料顆粒要比鋇鈦一起球磨所得的顆粒均勻,從而導(dǎo)致合成BaTiO3粉體均勻性提高很多,所以具有很好的介電性能。3球磨baco3粉體的制備在固相合成BaTiO3粉體時(shí),BaCO3和TiO2在球磨過程中會(huì)發(fā)生凝聚,不均勻性導(dǎo)致BaTiO3介電性能惡化,主要原因是BaCO3在球磨過程中發(fā)生了大范