納米鈦酸鋇在電子陶瓷材料中的性能和應用分析

2014-12-23 08:17:20江嬋

山東工業技術 2014年10期

江　嬋

（華南理工大學，廣州　510641）

江嬋

（華南理工大學，廣州510641）

【摘要】本文主要綜述了納米鈦酸鋇粉體的性能和國內外具有代表性的應用研究，在此基礎上分析了目前存在的問題．并提出了研究展望。

【關鍵詞】納米鈦酸鋇；電子陶瓷材料；性能分析

0　引言

平均尺寸在100nm以下的晶體所構成的陶瓷材料被稱之為納米陶瓷。早在1942年，陶瓷材料鈦酸鋇(BaTiO3，)被美、蘇學者wainer和seljmon所發現以及其具有的特殊鐵電性。之后，國內外對于BaTiO3，的提取及應用極為關注，美國和日本一些發達國家都投入了大量的物力、財力及人力對其粉體進行研制，出色的純度及細度使BaTiO3，成為納米BaTiO3，技術經過改良與完善后使得傳統材料的性能有了前所未有的提升。本文主要論述納米鈦酸鋇(BaTiO3，)粉體的性能以及應用，從而分析存在的問題和以后研究發展的展望。

1　納米鈦酸鋇的性能和應用

納米BaTiO3不但是目前電子陶瓷材料中使用量最多也是最廣泛的基礎原料之一，它被人們譽為“電子陶瓷業的支柱”。晶體陶瓷電容器、正溫度系數熱敏電阻、靜電變壓器、介質放大器、多層陶瓷電容器(MLCCS)、壓電陶瓷、熱電元件、紅外輻射探測元件、聲納、電光顯示板、存儲器、半導體材料、變頻器、記憶材料、聚合物基復合材料以及涂層等等都使用了納米BaTiO，由此可見它在電子陶瓷材料中的地位。

1.1物理性

BaTiO3又被稱為偏鈦酸銅鋇，能被鹽酸及濃硫酸、氫氟酸溶解，熔（1 625℃），密度（6.08g，cm3），相對分子質量（233.19）。因鋇鈦含量的不同，又分為BaTi4O9、BaTi3O7，、BaTi2O5、BaTiO3、等化合物，BaTiO3的實用價值最大。它有三方相、四方相、六方相、斜方相、和立方相等多方相，四方相晶體屬最為常見。BaTiO3晶體電介質含有高介電常數，能通過直流電場中發出極化效應。居里相變溫度達到120℃后從原來的立方相轉變為四方相，晶體也隨之具有壓電性、鐵電、電疇結構，晶體的電阻率在鐵電變化溫度點也就是居里點附近時，隨溫度升高出現階層跳躍，這種現象就是PTC(Positive Temperature Coeff cienEffect)效應。納米BaTiO3的優點不僅包括良好的耐壓、壓電、鐵電性能，還包括低介電損耗、高介電常數以及絕緣性能等等。

1.2高介電常數

由于納米材料BaTiO3相比一般的材料其介電常數較大，會隨著測茸頻率的降低而升高，介電損耗會因頻率及溫度發生改變并達到最高值這種特殊的介電性能，使它成為高頻電路元件之中必不可少的一種材料，其強電性能也在很多設備中得到運用。BaTiO3陶瓷電容器電容量會隨偏壓的改變而產生變化的這一特性被用來控制交變電流放大。研究人員通過共沉淀法制備BaTiO3l00 nm的粉體，叫做原料制備陶瓷。通過研究其粉體粒度，不難發現它的粒度變大、陶瓷燒成溫度提高與預燒溫度的升高有著很大關系，這一特征使它具備了優秀的介溫性能。當360 nm粒徑的BaTiO3的粉體經過1290℃的灼燒之后居里峰介電常數值為8 119。

1.3壓電效應

壓電性是指由于電場或是機械力而發生作用，引起電介質之中的帶電粒子發生了位置上的移動，并在表面發生電荷的現象，這一特性也被聲學裝置以及濾波器、測量裝置等等所運用。屬性為鈣鈦礦型的BaTiO3有優良的壓電性，被廣泛用于多種基于壓電等效回路的振蕩、傳感器件、微波和聲音轉換、能鼉轉換、信號轉換，比方說可利用壓電陶瓷能將外力轉換成電能這個特性制造出炮彈引爆裝置以及壓電打火機等等。

1.4鐵電效應

鐵電性可以通過自身的作用進而發生極化作用，但是其他一系列的效應如果確少了鐵電性就不能正常發揮作用，所以說鐵電性是其他效應存在是一項必不可少的條件。它在電場作用的情況下，利用自身的特性引發極化作用，從而引起陶瓷熱釋電、壓電、以及光電效應等現在的發生。

1.5正溫度系數效應

正溫度系數效應可在高于居里溫度幾十度的環境內使材料的鐵電一順電產生變化，室溫的電阻率突增好多個數量級，這種熱敏性陶瓷元件的獨特效應稱為PTC效應。BaTiO3熱敏性陶瓷元件應用于汽車發動機啟動器，程控電話保安器、彩電自動消磁器以及電冰箱壓縮機啟動器、過熱保護器、溫度傳感器等等。晶體的結構、雜質、組成和純度、制備工藝和PTC效應有著密不可分的聯系，這也是國內外研究者亟待解決的問題之一。

1.6納米BaTiO，的摻雜改性

摻雜改性是指把BaTiO3作為基礎固溶體進而改良其微觀結構及組織來完美其性能。近幾年研究者發現，雖然納米BaTiO3電子陶瓷有著很多的特異性能，卻還是避不可免的存在不足之處，所以其將研究重點聚集在如何改良摻雜改性上。

程花蕾等研究人員通過利用sol—sel研制出摻硅納米級(50 nm) BaTiO3粉體，將主要相組合成立方相，燃燒結晶后得到四方結構的摻硅BaTiO3陶瓷，并研究發現陶瓷室溫的介電常數在4 08l，摻硅摩爾分數為0.003，以及介電損耗為0.004，時介電溫度的穩定性能較好。

汪健等研究人員通過濕化學組成的方法研制出摻雜鈷的BaTiO3陶瓷粉體，通過研究發現材料因Co含量的增加。在室內溫度中晶相的組成會由四方相慢慢的變作六方與四方的復合相。晶相為純六方相時x=0.2；六方和立方混合相時晶體x＞0.2時。電阻的溫度關系隨著材料的室內溫度電阻的逐漸變小從正溫度系數PTC特性變為負溫度系數NTC特征。

田言等研究人員利用溶膠一凝膠法研制出摻雜稀土Gd的BaTiO3粉末樣品，不但具備四方結構且其微波吸收性能也比較突出。將純BaTiO3與研究樣品作對比，發現晶粒變小，晶格常數a有所增加，晶格常數c有所下降，反射率峰位置發生藍移并且反射率峰值有大幅下降，頻帶的寬度是純BaTiO3的2倍，由此可見稀土Gd摻雜能夠完善BaTiO3材料的微波吸收性能。