高結晶度、晶粒均勻的鈦酸鋇粉體制備方法研究

孫健

(潮州三環(集團)股份有限公司,廣東 潮州521000)

鈦酸鋇作為一種鐵電材料，被廣泛應用于制備例如多層陶瓷片式電容器等電子元器件中的電介質層。然而，傳統的固相法一般使用氧化鈦作為鈦源，使用碳酸鋇作為鋇源，混合后在1000℃以上煅燒合成鈦酸鋇，得到的鈦酸鋇粉體易凝集、分散不均勻且晶粒較大。因此，需要對鈦酸鋇粉體的制備方法進行改進，以獲得結晶度高、晶粒大小均勻的鈦酸鋇粉體。

1 鈦酸鋇粉體制備方法

1.1 研究目的

本文研究的目的在于克服現有技術的不足之處而提供一種鈦酸鋇粉體的制備方法，制備出的鈦酸鋇粉體具有結晶度高、晶粒大小均勻的優點。

1.2 鈦酸鋇粉體制備步驟

本文采用二步法分散工藝，其中一次研磨分散過程先將BaCO3和TiO2分別破碎分散均勻，二次研磨分散過程再將分散均勻的BaCO3和TiO2充分混合均勻，從而減少因只經過一次分散工藝而導致BaCO3和TiO2混合后顆粒大小不均勻的問題；BaCO3和TiO2分散越均勻，最終鈦酸鋇粉體產品的結晶度越高。具體步驟如下：

（1）準備BaCO3原料粉和TiO2原料粉；（2）向BaCO3原料粉和TiO2原料粉中分別加入分散劑進行一次研磨分散，直至BaCO3平均粒徑為20-50nm、TiO2平均粒徑為20-50nm，得到一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉；（3）將一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉進行混料，并進行二次研磨分散，得到BaCO3-TiO2混合體系；（4）向BaCO3-TiO2混合體系加入助劑，并進行干燥，得到BaCO3-TiO2混合粉末，助劑的加入量為BaCO3-TiO2混合體系的0.08 -0.5 wt%；（5）將BaCO3-TiO2混合粉末進行一次煅燒，直至混合粉末轉化為立方相BaTiO3粉體，一次煅燒的溫度為800-900℃；（6）向立方相BaTiO3粉體中加入分散劑進行濕法解碎分散，直至立方相BaTiO3粉體平均粒徑為40-60nm，然后進行噴霧干燥，得到BaTiO3造粒球粉體；（7）將BaTiO3造粒球粉體進行二次煅燒，直至轉化成平均粒徑為80-120nm的四方相BaTiO3粉體，二次煅燒的溫度為920-1050℃，且升溫的速率為3-15℃/min；（8）將四方相BaTiO3粉體進行濕法解碎分散，然后進行干燥，獲得最終產物粉體。

本文采用固相法，結合二步法分散工藝和二步法煅燒工藝，并優選助劑的添加量、一次煅燒的溫度、二次煅燒的溫度及升溫速率，制備出的鈦酸鋇粉體結晶度高(C/A≥1.009 )、晶粒大小均勻(D99/D50≤1.5 )。

2 具體實施方法

為更好地明確目的、技術方案和優點，下面將結合具體實施例與對比例對本發明進一步說明，對實施例和對比例制備得到的鈦酸鋇粉體進行性能測試，測試方法如下：

（1）結晶度(C/A)：采用XRD進行檢測；（2）晶粒尺寸均一性：采用掃描電鏡SEM進行檢測。

具體數據如表1、表2所示。

表2 對比例數據

表1、2中實施例1-15、對比例2-7和對比例9-10的粉體的制備方法，包括以下步驟：

表1 實施例數據

（1）將TiO2(300m2/g)和BaCO3(35m2/g)以1:1摩爾比的比例作為原材料。

（2）向BaCO3原料粉和TiO2原料粉中分別加入聚羧酸銨鹽進行一次砂磨分散，得到一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉，其中，BaCO3原料粉中聚羧酸銨鹽的加入量為BaCO3原料粉的2wt%；TiO2原料粉中聚羧酸銨鹽的加入量為TiO2原料粉的2wt%。

（3）將一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉進行混料，并進行二次砂磨分散，得到BaCO3-TiO2混合體系。

（4）向BaCO3-TiO2混合體系加入二甘醇作為助劑，并進行二流體干燥，得到BaCO3-TiO2混合粉末。

（5）將BaCO3-TiO2混合粉末進行一次煅燒，直至混合粉末轉化為立方相BaTiO3粉體。

（6）向立方相BaTiO3粉體中加入十二烷基苯磺酸，并以砂磨方式進行濕法解碎分散，直至粒徑為40-60，然后進行噴霧干燥，得到BaTiO3造粒球粉體，其中，十二烷基苯磺酸的加入量為立方相BaTiO3粉體的4wt%。

（7）將BaTiO3造粒球粉體進行二次煅燒，直至轉化成粒徑為80-120nm的四方相BaTiO3粉體。

（8）將上述四方相BaTiO3粉體以砂磨方式進行濕法解碎分散，然后進行二流體干燥，獲得最終產物粉體。

對比例1的制備方法，包括以下步驟：

（1）準備BaCO3和TiO2原料粉，BaCO3和TiO2的摩爾比為1:1。

（2）向BaCO3原料粉和TiO2原料粉混合，并加入聚羧酸銨鹽進行砂磨研磨分散，得到BaCO3-TiO2混合體系，其中，聚羧酸銨鹽的加入量為BaCO3原料粉和TiO2原料粉之和的2wt%。

（3）向BaCO3-TiO2混合體系加入二甘醇，并進行二流體干燥，得到BaCO3-TiO2混合粉末，二甘醇的加入量為BaCO3-TiO2混合體系的0.2 wt%。

（4）將BaCO3-TiO2混合粉末進行煅燒，煅燒溫度為1000℃，升溫速率為13℃/min，得到四方相BaCO3粉體。

（5）將四方相BaTiO3粉體進行砂磨式濕法解碎分散，然后進行干燥，獲得最終產物粉體。

對比例8的制備方法，包括以下步驟：

（1）將TiO2(300m2/g)和BaCO3(35m2/g)以1:1摩爾比的比例作為原材料。

（2）向BaCO3原料粉和TiO2原料粉中分別加入聚羧酸銨鹽進行一次砂磨分散，得到一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉，其中，BaCO3原料粉中聚羧酸銨鹽的加入量為BaCO3原料粉的2wt%；TiO2原料粉中聚羧酸銨鹽的加入量為TiO2原料粉的2wt%。

（3）將一次粒徑BaCO3原料粉和一次粒徑TiO2原料粉進行混料，并進行二次砂磨分散，得到BaCO3-TiO2混合體系。

（4）向BaCO3-TiO2混合體系加入二甘醇作為助劑，并進行二流體干燥，得到BaCO3-TiO2混合粉末。

（5）將BaCO3-TiO2混合粉末在850℃進行一次煅燒，直至混合粉末轉化為立方相BaTiO3粉體，然后升溫至1000℃進行二次煅燒，直至轉化成粒徑為80-120nm的四方相BaTiO3粉體。

（6）將上述四方相BaTiO3粉體以砂磨方式進行濕法解碎分散，然后進行二流體干燥，獲得最終產物粉體。

3 結論

相較于對比例1采用一次分散+一次煅燒工藝制備得到的鈦酸鋇粉體，實施例1-15利用二步法分散工藝+二步法煅燒工藝制備出的鈦酸鋇粉體的結晶度更高、晶粒尺寸均一性更好。并且，相較于對比例8采用一次煅燒后直接進行二次煅燒制備得到的鈦酸鋇粉體，實施例8采用一次煅燒后對立方相BaTiO3粉體進行濕法解碎分散、造粒，再進行二次煅燒制備的鈦酸鋇粉體的晶粒尺寸均一性更好。由實施例1-15以及對比例2-3結果可知，在一定范圍內，隨著助劑添加量的增加，有助于提高煅燒后最終鈦酸鋇粉體的結晶度提高；但助劑添加量過多，最終鈦酸鋇粉體的晶粒均勻性變差、結晶度降低，因此本發明中助劑的加入量優選為BaCO3-TiO2混合體系的0.08 -0.5 wt%。由實施例8、對比例4-5結果可知，隨著一次煅燒的溫度的增加，促進立方相的BaTiO3粉體的晶粒成長，結晶度提高；當溫度過高，會導致立方相BaTiO3的部分晶粒過度生長，使得后續的二次煅燒會更進一步擴大四方相BaTiO3的晶粒大小的不均勻性，因此，本方法一次煅燒的溫度選為800-900℃。由實施例8、對比例6-7結果可知，二次煅燒的升溫速率越快，晶粒越不容易產生凝集，晶粒的發育更完整，對最終鈦酸鋇粉體的結晶度、均勻性有較好的提升作用，尤其是升溫速率超過15℃/min，會抑制晶粒的成長，難以獲得目標粒徑的四方相BaTiO3粉體，因此，本方法二次煅燒溫度的升溫的速率優選為3-15℃/min。由實施例7和對比例9-10結果可知，隨著二次煅燒的溫度的增加，四方相BaTiO3的結晶度進一步提高；但溫度超過1050℃，則會導致四方相BaTiO3的晶粒生長過大，超過目標粒徑，因此，本方法二次煅燒的溫度選擇為920-1050℃。