功能陶瓷的固相反应法制备及介电性能测试

功能陶瓷的固相反应法制备及介电性能测试

一、实验目的

1、了解制备功能陶瓷材料的固相反应法；

2、掌握用LCR仪测试功能陶瓷材料介电性能的方法；

3、测量特定频率及温度范围内BaTiO3陶瓷的介电性能随频率及温度的变化；

4、结合实验结果分析BaTiO3陶瓷的介电性能与频率及温度的关系。

二、实验原理

固相反应法制备功能陶瓷：

制备功能陶瓷材料的方法有很多种，其中最成熟、应用最为广泛的则是固相反应法。这种方法以高纯度粉末(常为氧化物)为原料，经精确称量后与球磨介质(常为球状，一般用ZrO2、Al2O3、玛瑙等高硬度材料)及分散液体(通常为水或酒精)混在一起，经球磨、干燥、过筛后得到颗粒细小、混合均匀的粉末。均匀混合的粉末在高温下发生化学反应，合成所需的物相，此过程称为预烧结(又称锻烧)。之后再次进行球磨、干燥、过筛，并将得到的颗粒细小的粉末与少量有机物水溶液(如PV A、PVB等)混合在一起、研磨后过筛(此过程称为造粒)，以增加粉末在成型过程中的可塑性和流动性，并减小粉末与模具间的摩擦。将造粒后的粉末放置于金属模具中，并施加高压，即得到具有所需形状的压粉体(又称素胚)，此过程称为成型。压粉体具有一定的强度和致密度，但其中仍存在很多气孔，需通过高温下的烧结过程予以排除。由于粉末颗粒细小，具有较高的表面能，这和高温一起构成了烧结过程的动力。在烧结动力的作用下，颗粒之间发生传质的过程，同时伴随着晶粒的长大、大部分气孔的排除、体积的收缩、密度的增大及强度的提高，最终得到致密的陶瓷材料。

材料的介电性能及其测试方法：

介电性是材料对外加电场的一种反应。介电材料内的电荷在外加电场的作用下会发生位移，导致正、负电荷中心不重合，从而发生电极化、在介质表面形成束缚电荷，并在宏观上表现为电容及介电常数。介电常数 是表征材料介电性能

的物理量，定义为电位移与外加电场之间的比值。出于方便的考虑，常用相对介电常数r ε (即介电常数与真空介电常数的比值，0/εε)来表示。有时也称相对介电常数为介电常数。

电极化的微观单元称为电偶极子，而不同的电偶极子则对应不同的极化机制，如转向极化、空间电荷极化、松驰极化、自发极化、离子极化、电子极化等。极化的过程对应电偶极子的重新排布，这需要一定时间来完成。因此，极化对外加电场在时间上有一定的滞后，即材料的介电常数应为一复数，表示为'‘‘εεεj -=，而介电损耗则定义为‘‘εεδ/tan '=。介电常数与介电损耗放在一起时，通常指介电常数的实部。介电损耗也可理解为电场作用在材料上时由于偶极子的重新排布受到阻碍使得一部分电能以热量的形式损失掉。同时，由于极化过程需要一定时间来完成，故介电常数和介电损耗对外加电场的频率有着明显的依赖性。又由于温度的改变影响着电偶极子的活跃程度，因此介电性能对温度也有着依赖性。

铁电体是一类特殊的介电材料，存在着可反转的自发极化，即在无外加电场的情况下也存在电极化。铁电性及自发极化的产生源于铁电体特殊的结构(要求为非中心对称的极性晶体)，如钙钛矿结构BaTiO 3的铁电性源于中心Ti 4+离子偏离中心位置。在宏观性能上，铁电体的极化随着外加电场强度的改变出现回线形状的曲线，称为电滞回线，同时其介电常数随温度的变化出现极大值，对应居里温度和居里峰。

根据测试频率范围及原理的不同，材料介电性能的测试方法可分为很多种。一般情况下，人们比较关注材料在1MHz 以下的介电性能。在此频率范围，试样通常做成片状，并在两端镀上金属电极。这样，试样即可看作一平板电容，通过测试试样的电容即可计算得到其介电性能。而1MHz 以下电容的测试则可用阻阬分析法或电桥法。前者在试样两端施加一交流电压，通过测量通过试样的电流得到试样的复阻抗，并由此求出电容和介电损耗。而电桥法则是将试样置于由两个臂组成的电桥的一个臂上，通过调节电桥上的电容、电感及电阻使电桥达到平衡，此时两个臂上的阻抗相同，通过已知的其它电容、电感及电阻的值即可计算得到试样的电容和介电损耗。阻抗分析法和电桥法均有成套的仪器可供直接使用，分别为阻抗分析仪和LCR 仪(L 、C 、R 分别为英文电感、电容、电阻的首字母)。

本实验中使用的测试方法为电桥法，对应的仪器为Agilent 4284A 高精度LCR 仪。LCR 仪可直接读出试样的电容和介电损耗，并可由公式d S C r 0εε=计算出材料的相对介电常数。其中，C 为试样电容，r ε为相对介电常数，0ε为真空介电常数，S 为电极面积，d 为试样厚度。

四、实验步骤

BaTiO 3陶瓷的制备：

1、称料：原料为BaCO 3(99.93%)、TiO 2(99.5%)粉末，欲制备得到60g BaTiO 3

2、球磨：原料 + 去离子水 + ZrO 2球，24小时

3、烘干、过筛：60o C 烘箱、120目尼龙筛

4、预烧结：室温 5o C/min 1100o C 3小时 1100o C 随炉冷却

5、再次球磨、烘干、过筛

6、造粒：BaTiO 3粉末 + 6wt% PV A 溶液、过40目尼龙筛

7、烧结垫料：室温 5o C/min 1400o C 3小时 1100o C 随炉冷却

8、成型：100Mpa 压强、2~3分钟 直径12mm 的压粉体

9、烧结：室温 5o C/min 1350o C 3小时 1350o C -2o C/min 1100o C 随炉冷却

10、镀银电极、烧银：550o C 、20min

BaTiO 3陶瓷介电性能的测试：

1、对LCR 仪进行开路、短路校准，提高仪器的测试精度；

2、将BaTiO 3陶瓷试样安装在频谱测试夹具上，在LCR 仪上读出试样在室温下、1kHz~1MHz 的频率范围内的电容及介电损耗；

3、将BaTiO 3陶瓷试样安装在温谱测试夹具上，并放置于可控温的实验箱式炉内。设置箱式炉的控温程序，以2o C/min 的速度由室温升至200o C 。从30o C 开始，每隔2o C 记录一次试样在100kHz 下的电容及介电损耗。