鈦酸鍶鋇粉體的制備及表征

張 悅，詹 斌，蘇 堯，王 威

（中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621907）

鈦酸鍶鋇粉體的制備及表征

張 悅，詹 斌，蘇 堯，王 威

（中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621907）

鈦酸鍶鋇基（BST）陶瓷因其具有較高的峰值介電常數(shù)而成為高儲(chǔ)能密度陶瓷電容器的主要候選材料之一。研究表明，高致密度的細(xì)晶BST陶瓷顯示出良好的介電性能。因此，通過(guò)制備納米級(jí)鈦酸鍶鋇粉體來(lái)獲得細(xì)晶陶瓷具有重要意義。本研究的目標(biāo)是采用溶膠-凝膠法制備納米級(jí)鈦酸鍶鋇粉體，利用熱分析(TG-DSC)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)及ICP發(fā)射光譜分析(ICP-AES)對(duì)其進(jìn)行表征，得到了純度高、均勻性好的納米級(jí)鈦酸鍶鋇粉體。關(guān)鍵詞：鈦酸鍶鋇；溶膠-凝膠法；納米粉體

0 引 言

陶瓷類(lèi)微波介質(zhì)材料因其具備介電常數(shù)高、介電損耗小、頻率溫度變化系數(shù)較小等優(yōu)點(diǎn)，是移相器、諧振器、介質(zhì)天線(xiàn)、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面[1-2]。其中，鈦酸鍶鋇(BaXSr1-XTiO3，BST)陶瓷[3-5]兼具鈦酸鋇(BaTiO3)的高介電常數(shù)、低介電損耗和鈦酸鍶(SrTiO3)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，是功能陶瓷中應(yīng)用最廣、發(fā)展最為迅速的電子陶瓷之一。

一般來(lái)說(shuō)，人們認(rèn)為BST陶瓷的性能與晶體形貌和晶粒尺寸密切相關(guān)。研究表明，具有超細(xì)晶粒及高致密度的BST陶瓷顯示出良好的介電性能?；诖耍瑸榱双@得晶粒尺寸較小的陶瓷材料，可以采取降低初始原料的粒徑、摻雜改性[6-7]以及調(diào)節(jié)燒結(jié)工藝等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，制備納米級(jí)鈦酸鍶鋇粉體成為了當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前，粉體的制備方法主要有固相法和液相法，其中液相法包括化學(xué)共沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法[8-10]等。其中，溶膠-凝膠法具有操作周期短、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，制得的粉體均勻性好、純度高、粒度小。因此，本文采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鍶鋇納米粉體，重點(diǎn)研究了鈦酸鍶鋇粉體的合成及性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料試劑(見(jiàn)表1)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用溶膠-凝膠法制備Ba0．6Sr0．4TiO3粉體，主要原材料為醋酸鋇Ba(CH3COO)2、醋酸鍶Sr(CH3COO)2? l/2H2O和鈦酸四丁酯Ti(OC4H9)4。將其分別溶解后，經(jīng)過(guò)水解、縮聚等過(guò)程，形成穩(wěn)定的溶膠，再逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈衲z，經(jīng)85 ℃干燥獲得干凝膠。隨后使用硅鉬棒燒結(jié)爐對(duì)干凝膠進(jìn)行熱處理，保溫時(shí)間為3 h，即可在較低的溫度下獲得結(jié)晶完好的納米級(jí)BST粉末。工藝流程如圖1所示。

表1 原料試劑Tab.1 The raw material reagent

1.3 表征測(cè)試

對(duì)凝膠的熱演化、晶化與相變過(guò)程，采用差熱-熱重分析儀進(jìn)行分析，測(cè)試溫度從室溫到1000 ℃，升溫速率為10 ℃/min；對(duì)粉體的物相組成，采用X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行分析，靶材為銅靶，掃描范圍為20° -90° ，掃描速度為4 °/min。對(duì)粉體的微觀(guān)形貌，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、透射電子顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察和分析。對(duì)粉體的化學(xué)成分，采用ICP-AES進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鍶鋇粉體的基礎(chǔ)在于溶膠的配置，主要以控制金屬鈦鹽的水解速度為關(guān)鍵技術(shù)。鈦酸丁酯遇水會(huì)迅速發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生TiO2沉淀，因而本文中采用一定量的乙酸與鈦酸丁酯混合形成相對(duì)穩(wěn)定的螯合物，在一定程度上抑制了沉淀的出現(xiàn)。其原理可解釋如下，水具有較強(qiáng)的親核作用會(huì)取代螯合物中的醋酸基發(fā)生如下反應(yīng)：

但是通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH值，使其處于酸性條件下，將促使反應(yīng)(2)向右移動(dòng)，從而使鈦鹽基團(tuán)因攜帶同種電荷而相互排斥，抑制聚合反應(yīng)的發(fā)生，避免沉淀的生成。實(shí)驗(yàn)表明，上述溶液在靜置48 h后才會(huì)逐步形成凝膠。

2.1 熱分析

BST干凝膠的熱處理過(guò)程比較復(fù)雜，涉及結(jié)晶水揮發(fā)、有機(jī)物燃燒、螯合物分解與鈣鈦礦相BST析晶和晶粒生長(zhǎng)等，并伴隨有吸熱、放熱反應(yīng)與熱失重現(xiàn)象。為了確定BST粉體的制備工藝，首先對(duì)干凝膠的熱演化、晶化與相變過(guò)程進(jìn)行了TG-DSC分析，結(jié)果如圖 2所示。

圖1 溶膠-凝膠法制備BST粉體的工藝流程Fig. 1 The preparation of BST powder by sol-gel method

由TG曲線(xiàn)可以看出，從室溫到1000 ℃的溫度范圍內(nèi)，干凝膠的失重過(guò)程可以分為3個(gè)階段：第一階段為300 ℃以前，失重約8．3%，此階段主要是吸附水、乙醇等溶劑的揮發(fā)，表現(xiàn)為DSC曲線(xiàn)上200 ℃左右的吸熱峰；第二階段為300 ℃-500 ℃，失重約26．9%，可歸因于干凝膠中有機(jī)物的燃燒、分解，氫鍵的斷裂等過(guò)程，對(duì)應(yīng)DSC曲線(xiàn)在350 ℃和420 ℃附近的吸熱峰；第三階段為500 ℃-790 ℃，此階段失重約4．2%，主要反應(yīng)為干凝膠中鈣鈦礦相BST的析晶及生長(zhǎng)和粉末中有機(jī)物殘?jiān)臒?，部分無(wú)機(jī)鹽的分解等，對(duì)應(yīng)DSC曲線(xiàn)上700 ℃左右的放熱峰和760 ℃左右的吸熱峰。

2.2 XRD

為了揭示析晶及晶化過(guò)程中形成的中間相，對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的粉體進(jìn)行了物相結(jié)構(gòu)分析。將Ba0．6Sr0．4TiO3干凝膠分別在600 ℃、720 ℃、840 ℃熱處理3 h，獲得的粉體研磨后進(jìn)行XRD的分析，結(jié)果如圖 3所示。

圖2 Ba0.6Sr0.4TiO3干凝膠的TG-DSC曲線(xiàn)Fig. 2 The TG-DSC curves of Ba0.6Sr0.4TiO3dry gel

當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時(shí)，存在鈦酸鍶鋇和碳酸鋇兩種物相，且兩者強(qiáng)度相近，說(shuō)明該溫度較低，得到的煅燒產(chǎn)物中含有大量的中間產(chǎn)物。提高熱處理溫度至720 ℃，圖譜中的鈦酸鍶鋇鈣鈦礦相已相當(dāng)完全，但仍有微弱的碳酸鋇雜峰存在，表明隨著溫度的升高，物相反應(yīng)逐漸完全。當(dāng)熱處理溫度進(jìn)一步升至840 ℃時(shí)，形成了單一的鈦酸鍶鋇鈣鈦礦相，這與熱分析的結(jié)果基本吻合。另一方面，隨著溫度的升高，衍射峰逐漸向高角度方向偏移，說(shuō)明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Sr由固溶態(tài)進(jìn)入晶格取代Ba，造成晶面間距的縮小。

2.3 SEM

圖4是BST粉體的SEM照片。熱處理溫度為720 ℃時(shí)，粉體的微觀(guān)形貌呈橢球狀，且顆粒大小較均勻，顆粒尺寸在100 nm左右(如圖4a所示)。當(dāng)熱處理溫度升至840 ℃時(shí)，晶粒的形貌和尺寸略有變化，但并不明顯，部分顆?；ハ喽逊e，團(tuán)聚顆粒增多(如圖4b所示)。

2.4 TEM

圖3 不同熱處理溫度處理下Ba0.6Sr0.4TiO3粉體的XRD圖譜Fig. 3 XRD patterns of Ba0.6Sr0.4TiO3powder sintered at different temperatures

圖 4 Ba0.6Sr0.4TiO3粉體SEM微觀(guān)形貌圖 (a)720℃熱處理；(b)840℃熱處理Fig. 4 SEM micrographs of Ba0.6Sr0.4TiO3powder

采用透射電子顯微鏡對(duì)熱處理溫度為840 ℃的粉體顆粒形貌和晶粒大小進(jìn)行了分析，分析電壓為200 KV，總分辨率為0．3 nm。圖5為單個(gè)顆粒的TEM照片，結(jié)果證明了BST粉體的顆粒形貌呈橢球狀，未發(fā)生團(tuán)聚的單顆粒尺寸為30 nm左右。圖6Ba0．6Sr0．4TiO3粉體的團(tuán)聚顆粒為BST粉體發(fā)生不同程度團(tuán)聚現(xiàn)象的顆粒，由于納米粉體的表面能非常大，顆粒之間會(huì)通過(guò)相互吸附來(lái)降低其表面能。此外，將圖5與圖6對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，尺寸越小的顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象的情況越嚴(yán)重，這也側(cè)面表明了比表面積增大導(dǎo)致了更強(qiáng)的吸附團(tuán)聚。

圖5 Ba0.6Sr0.4TiO3粉體的單個(gè)顆粒Fig.5 The individual particles of Ba0.6Sr0.4TiO3powder

2.5 成分分析

將溶膠-凝膠法制備的鈦酸鍶鋇粉體樣品進(jìn)行ICP-AES分析，其結(jié)果如表2所示。由分析結(jié)果可知，所制備的粉體純度較高，元素摩爾比Ba : Sr : Ti=0．29 : 0．20 : 0．51，基本接近6 : 4 : 10，與原始設(shè)計(jì)和過(guò)程控制的粉末摩爾比是吻合的，基本可以確定樣品的化學(xué)式為Ba0．6Sr0．4TiO3。

圖6 Ba0.6Sr0.4TiO3粉體的團(tuán)聚顆粒Fig. 6 The agglomerated Ba0.6Sr0.4TiO3particles

表2 BST粉體的成分分析Tab. 2 The composition analysis of BST powder

3 結(jié) 論

本文采用溶膠-凝膠法制備了納米級(jí)的Ba0．6Sr0．4TiO3粉體，其合成溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法。研究表明制得的粉體顆粒較細(xì)、純度較高，TEM顯示得到的BST粉體粒徑在30 nm左右。該結(jié)果對(duì)于降低BST陶瓷的燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)體的致密度，改善材料的最終燒結(jié)性能具有積極的指導(dǎo)意義。

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Preparation and Characterization of Barium Strontium Titanate Powders

ZHANG Yue, ZHAN Bin, SU Yao, WANG Wei
(Institute of Materials, China Academy of Engineering Physics, Jiangyou, Mianyang 621907, Sichuan, China)

The barium strontium titanate is the promising material ffor high energy density capacitor because of its high dielectric constant. The fi ne grain BST ceramic with high density shows the improved dielectric performance. Therefore it is essential to prepare BST nanopowders to obtain fi ne grain materials. The aim of this study was to prepare nanoscale BST powders by sol-gel method. The BST powders were characterized by TG-DSC, XRD, SEM, TEM and ICP-AES respectively. The results showed that the BST nano-powders with high purity and fi ne uniformity were obtained.

barium strontium titanate; sol-gel method; nanometer powder

TQ174.75

A

1006-2874(2017)02-0014-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.02.003

2017-01-15。

2017-01-18。

詹斌，男，博士，副研究員。

Received date:2017-01-15. Revised date: 2017-01-18.

Correspondent author:ZHAN Bin, male, Ph.D., Associate Researcher.

E-mail:274872719@qq.com