(Zn,Mg)TiO3粉体低温合成及其陶瓷的制备

^ Zn2TiO4 * + ^ *
*（Zn，Mg）TiO3
0.8MgO * + ^ * + ^ * 0.4MgO * + ^ * +
40
* * + ^
* + ^
^ * *

* ^
50
* + ^
60
^ * *
70 80
10
20
30
2Theta/°
图中证明可能存在这个反应的逆反应。使得两种相均存在。 熔盐体系改变了ZnO-MgO-TiO2相反应机理。
检测结果分析
2.MgCl2-NaCl-KCl熔盐体系的XRD分析
不同反应温度以及煅烧次数对合成的粉体的影响
^ 金红石相TiO2 *（Zn，Mg）TiO 3 + 锐钛矿 TiO2
1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100
检测结果分析
c.ZMT陶瓷的XRD的分析
10000 1 data - background 6000 2000 1200 800 400 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 85-547 Zinc Titanium Oxide
10000 6000 2000 1200 800 400 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 85-547 Zinc Titanium Oxide 2 data
检测结果分析
3.900℃不同熔盐体系对产物的影响
+ Zn2Ti3O8
1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60
* (Zn,Mg) TiO3 + *
^ 金红石相TiO2
*
NaCl-KCl * + * MgCl2-NaCl-KCl * ^ ** * * + *
(Zn,Mg)TiO３粉体低温合成 及其陶瓷的制备
导 师:刘向春 答辩人:彭勃 专 业:材料科学与工程学院0804
1 2 3
前言 实验部分
检测结果分析
结论 展望
4
5
前言
近年来，移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统 (GPS)、蓝牙技术以及无线局域网(WLA)等现代通信业得 到了飞速发展。对微波振荡器、移相器、微波电容器以及 微波基板等元器件这种庞大的市场需求，再加上微波介质 陶瓷制作的介质谐振器等微波元器件具有体积小、质量轻、 性能稳定、价格便宜等优点，因此微波介质陶瓷也发展得 相当迅速。 钛酸锌镁微波介质陶瓷是基于钛酸锌微波介质陶瓷发 展起来的。由于在烧结钛酸锌陶瓷至900℃时，钛酸锌就 会分解为Zn2TiO4和TiO2，恶化微波介电性能。在钛酸锌 陶瓷中掺加Mg2+ ，由于Mg2+比Zn2+的半径小， Zn2+的位 臵很容易被Mg2+所取代，形成钛酸锌镁固溶体，这样可以 很好地在烧结过程中稳定钛酸锌的六方相结构，提高陶瓷 的微波介电性能。
实验部分
实验配方：1.NaCl-KCl为熔盐， MgO，ZnO，TiO2为原 料；2.MgCl2-NaCl-KCl为熔盐，ZnO，TiO2为原料。 实验方案：将两种配方煅烧6个温度点：400℃，500℃， 600℃，700℃，800℃，900℃。 实验步骤： step a：考虑原料的纯度，按照一定的计量比准确称量原 料，实验中两配方的NaCl和KCl的摩尔比一直保持1：1. 将原料在120℃下烘干2h,烘干后加入等质量的酒精，在 行星球磨机上球磨4h，后烘干。烘干温度不能超过70℃ ，并且使烘箱门开一小缝，便于气体酒精的流通，以免 发生爆炸。
*
* + +
*

* ^
* * ** ^ * **
70
^
*
80
2Theta/°
此图谱说明不同熔盐体系和反应原料对反应产物影响很 大。
检测结果分析
b.粉体的TEM检测分析
600℃下两熔盐体系50000×的粉体的TEM分析，左图的 特点 ：清晰地看见粉体的棱角，晶粒发育饱满，晶粒尺 寸明显较大 ;右图的特点：颗粒尺寸较为均匀，晶粒相对 较小约为100~200nm，分散性较好
展望
目前对（Zn,Mg）TiO３粉体的合成研究较少，从以前的 研究来看，出现Zn２Ti３O８和Zn２TiO４会恶化介电性能 。在MgO 900℃合成（Zn,Mg）TiO３纯相粉体的基础上 ，利用二次熔盐法，用MgCl２的方案合成了近乎纯相的 （Zn,Mg）TiO３粉体，仅出现了少量的金红石相和锐钛 矿相的TiO２粉体，实现了在低温下合成（Zn,Mg）TiO３ 粉体，但是合成产物纯化还有待于继续深入研究。 由于毕设时间有限，对于用此方法烧结的陶瓷的介电性 能和其他的性能没能进一步进行研究。
* * ^ ^ + 600℃ * * * * 600℃（2） +
10 20 30
* * ^^^
900℃ * *
*
* ** ^ * ** *
*
* +++* * * * ** + + * *

*
*
* *
**
+ ** *
70下三点： 1.600℃一次熔盐法含有锐钛矿相TiO2。 2.900℃存在 较多的金红石相TiO2。 3.600℃二次合成有效增加了(Zn,Mg)TiO3的合成量 。
前言
但是，钛酸锌镁粉体合成一般均采用传统的固相合成法，合 成温度高，颗粒粒径大，分布不均匀，工艺成本很大。 本实验基于前人的基础上，利用熔盐法制备钛酸锌镁粉体。 什么是熔盐法以及它的优点？ 熔盐法通常是采用一种或数种低熔点的 盐类作为反应介质， 反应物在熔盐中有一定的溶解度，使得反应在原子级进行。 优点：具有合成温度低、反应时间短、工艺简单、合成产物 纯度高、粉体颗粒的晶型与形貌可控以及环境污染小等特点 。
左图是0.4 MgCl2600℃二次熔盐粉体，并掺了0.75wt%的V2O5 在 900℃下烧结4h的陶瓷的的XRD图谱。右图0.4MgCl2900℃ 一次熔盐下含 0.75wt%V2O5的900℃的陶瓷烧结体的XRD图谱 。 主晶相是（Zn，Mg）TiO3，几乎没有杂相，衍射峰宽度 很窄，而且峰很尖锐，说明陶瓷的结晶程度很高。
检测结果分析
a.粉体的XRD检测结果分析
1.NaCl-KCl熔盐体系的XRD分析 ⑴不同反应温度对物相成分的影响
说明在900℃时TiO2几乎完全转化为(Mg，Zn)TiO3粉体
检测结果分析
⑵900℃NaCl-KCl熔盐体系不同配方的对比
+ Zn2Ti3O8
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100
step b：烘干后将不同配方的粉末至于炉内煅烧，煅烧时 不能放入的样品过多，仅是在靠近硅碳棒附近放臵样品 ，并且用同一炉子煅烧不同的样品，以便于减少实验的 误差。煅烧6个不同的温度点：400℃，500℃，600℃， 700℃，800℃，900℃。
实验部分
Step c: 煅烧后，待温度降至100℃以下，将样品取出， 至于烧杯中，添加200ml的蒸馏水，编号后至于恒温水浴 锅中，设臵温度70℃，水浴可以帮助钾盐和钠盐的溶解 。边水浴，边搅拌5min后，令不溶于水的粉体沉淀，沉 淀后倒出澄清液，反复过滤 8 遍左右，便可将可溶性盐 类完全洗涤掉，而且此过滤方法不易引入杂质。然后烘 干，对粉体进行XRD和TEM检测。在第一次检测600℃ 后，发现粉体中有大量的二氧化钛（由于配料参照问题 ），以此粉体为原料的一部分，按比例再进行配料，二 次煅烧合成(Zn,Mg)TiO３粉体（二次熔盐法）。 Step d:选择合成纯度较高的粉体，进行配料，球磨，预 烧（使原料里没有合成的继续合成），添加烧结助剂， 二次球磨（使烧结助剂与原料混合的更加均匀），加入 PVA造粒，压片，排胶，烧结，然后对陶瓷进行XRD和 SEM检测。
检测结果分析
d.ZMT 陶瓷的SEM分析
从两图中可以看出，晶粒发育饱满，呈柱状晶体，由于烧结 助剂较少，没有明显液相产生。 说明了0.4 MgCl２900℃生成的目标粉体较为优良，陶瓷致密， 烧结后性能可能会较好。
结论
本实验利用熔盐法，探讨了两种方案下合成（Zn,Mg） TiO3粉体，实现了低温合成近乎纯相的目标粉体，对粉 体进行了TEM和XRD的测试，得出了以下结论。 1. 在600℃，二次熔盐法煅烧4h的条件下，合成了近乎纯 相的（Zn,Mg）TiO3粉体；900℃烧结的（Zn，Mg） TiO3陶瓷具有结构致密、颗粒分布均匀，保持了单一的 六方相结构，说明有Mg对ZnTiO3相有很好的稳定效果。 2. 熔盐体系中，在高温段产生正钛酸锌的低温相三钛酸 锌，说明熔盐介质改变了ZnO-TiO2-MgO体系的相反应机 理。 3. NaCl-KCl复合熔盐体系的合成的（Zn,Mg）TiO3具有 晶粒尺寸小（约为100~200nm），分散性好，结晶较好 的特点。 4. 相对于纯固相法合成粉体制备的陶瓷，熔盐法粉体制 备的陶瓷烧结温度低、颗粒尺寸均匀、陶瓷体更为致密 。