固相烧结法制备(Zn,Mg)TiO3介质陶瓷及对其最佳烧结温度的确定
钛酸钡陶瓷制备实验报告(3篇)
第1篇实验目的本实验旨在了解钛酸钡陶瓷的制备过程，掌握固相反应法合成钛酸钡陶瓷的实验步骤，并通过对实验结果的分析，探讨影响钛酸钡陶瓷性能的关键因素。
实验原理钛酸钡（BaTiO3）是一种具有钙钛矿结构的压电陶瓷材料，广泛应用于电容器、传感器、换能器等领域。
钛酸钡陶瓷的制备主要通过固相反应法，即利用高温使钡源和钛源发生化学反应，生成钛酸钡晶体。
实验材料1. 纯度≥99.9%的钛酸钡原料2. 纯度≥99.9%的钡源3. 纯度≥99.9%的钛源4. 纯度≥99.9%的氧化铝（Al2O3）作为助熔剂5. 砂轮研磨机6. 高温炉7. 精密天平8. 精密移液器9. 烧结炉10. 显微镜11. X射线衍射仪（XRD）实验步骤1. 原料准备：称取适量的钛酸钡原料、钡源、钛源和氧化铝，精确至0.01g。
2. 原料混合：将称取好的原料放入球磨罐中，加入适量的去离子水，开启砂轮研磨机进行球磨，时间为2小时。
3. 干燥：将球磨后的浆料在60℃下干燥12小时，得到干燥的粉体。
4. 压制成型：将干燥后的粉体进行压制成型，得到尺寸为10mm×10mm×1mm的陶瓷片。
5. 烧结：将陶瓷片放入高温炉中，在1300℃下烧结2小时。
6. 性能测试：对烧结后的钛酸钡陶瓷进行XRD分析，测定其物相组成；使用显微镜观察其微观结构；测量其介电常数和介电损耗。
实验结果与分析1. XRD分析：通过XRD分析，发现钛酸钡陶瓷主要成分为BaTiO3，没有其他杂质相生成。
2. 微观结构：通过显微镜观察，发现钛酸钡陶瓷晶粒尺寸均匀，分布良好。
3. 介电常数和介电损耗：测量结果表明，钛酸钡陶瓷的介电常数为3450，介电损耗为1.89%，满足实验要求。
结论本实验采用固相反应法成功制备了钛酸钡陶瓷，实验结果表明，该方法能够得到物相组成单一、微观结构良好的钛酸钡陶瓷。
通过调整原料配比、球磨时间、烧结温度等因素，可以进一步优化钛酸钡陶瓷的性能。
固相法制备陶瓷粉体
固相反应法生产陶瓷粉体一、 固相反应法的特点固相法是通过从固相到固相的变化来制造粉体，其特征是不像气相法和液相法伴随有气相→固相、液相→固相那样的状态（相）变化。
对于气相或液相，分子（原子）有很大的易动度，所以集合状态是均匀的，对外界条件的反应很敏感。
另一方面，对于固相，分子（原子）的扩散很迟缓，集合状态是多样的。
固相法其原料本身是固体，这较之于液体和气体都有很大的差异。
固相法所得的固相粉体和最初固相原料可以使同一物质，也可以不是同一物质。
[1]二、 物质粉末化机理一类是将大块物质极细地分割，称作尺寸降低过程，其特点是物质无变化，常用的方法是机械粉碎（用普通球磨、振磨、搅拌磨、高能球磨、喷射磨等进行粉碎），化学处理（溶出法）等。
另一类是将最小单位（分子或原子）组合，称作构筑过程，其特征是物质发生了变化，常用的方法有热分解法（大多数是盐的分解），固相反应法（大多数是化合物，包括化合反应和氧化还原反应），火花放电法（常用金属铝产生氢氧化铝）等。
三、 固相反应的具体方法1、 机械粉碎法主要应用是球磨法，机械球磨法工艺的主要目的包括离子尺寸的减小、固态合金化、混合或融合以及改变离子的形状。
目前已形成各种方法，如滚转磨、振动磨和平面磨。
采用球磨方法，控制适合的条件可以得到纯元素、合金或者是复合材料的纳米粒子。
其特点是操作简单、成本低，但产品容易被污染，因此纯度低，颗粒分布不均匀[2]。
2、热分解法热分解反应不仅仅限于固相，气体和液体也可引发热分解反应，在此只讨论固相的分解反应，固相热分解生成新的固相系统，常用如下式子表示（S 代表固相、G 代表气相）：1211212S S G S S G G →+→++第一个式子是最普通的，第二个式子是第一个式子的特殊情况。
热分解反应基本是第一式的情况。
3、 固相反应法由固相热分解可获得单一的金属氧化物，但氧化物以外的物质，如碳化物、硅化物、氮化物等以及含两种金属元素以上的氧化物制成的化合物，仅仅用热分解就很难制备，通常是按最终合成所需组成的原料化合，再用高温使其反应的方法，其一般工序如左图所示。
固相烧结原理
固相烧结原理
固相烧结是一种常用的陶瓷制备方法，它是指通过高温烧结，使固体粉末在高温下熔融、扩散并重结合成致密的块状物质的过程。
固相烧结原理如下：
粉末混合：将原料粉末按照一定比例混合均匀，这是固相烧结的第一步。
压制成型：将混合好的粉末在一定的温度和压力下进行压制成型，形成所需形状的坯体。
初期加热：将压制好的坯体放入炉中进行初期加热，升温速率一般较慢，使得坯体中的水分和有机物挥发，排除空气，避免坯体变形或爆炸。
高温烧结：随着温度的升高，坯体中的原料粉末逐渐熔融、扩散并重结合，形成致密的块状物质。
烧结温度一般高于原料的熔点，但低于其汽化温度，以避免原料挥发。
在烧结过程中，原料颗粒间的间隙逐渐减小，相互靠近，发生扩散，使粒子之间相互连接，形成坚实的固体物质。
降温保持：待坯体达到一定烧结度后，将温度缓慢降低，保持一定温度和时间，使得烧结完成，坯体稳定。
固相烧结的原理是利用高温使原料粉末熔融、扩散、结合成致密的块状物质的过程。
烧结温度、时间、压力、热处理过程等因素会影响固相烧结的结果，需要根据不同的材料和要求进行调整。
固相烧结是制备陶瓷材料的常用方法，应用广泛于陶瓷、电子、航空等领域。
陶瓷的传统固相烧结工艺
陶瓷的传统固相烧结工艺陶瓷是指以无机非金属粉末为原料，经过成型、干燥、烧成等工艺制成的坚硬、致密、耐磨、耐腐蚀、耐高温的材料。
固相烧结工艺是陶瓷制造的传统方法之一，也是目前应用最广泛的成型工艺之一。
固相烧结工艺的步骤主要有原料制备、成型、干燥、烧结、密封等工序。
首先是原料的制备。
陶瓷的原料包括粘土、石英、矾土、长石、白云石、氧化铝等无机非金属物质。
制备原料是固相烧结工艺的第一步，原料的质量对最终制成的陶瓷材料的质量影响很大。
因此，对原料的选择和处理要求非常严格。
接下来是成型。
常用的成型方法有压制、注塑、挤出、注浆和液压成型等多种方法。
成型的目的是将原料压制成一定形状的坯体，形状可以是各种几何形状。
成型后的坯体需要进行干燥处理，以免在烧结时出现爆炸或破损等情况。
干燥过程是坯体失去水分的过程，干燥的方法有自然通风干燥、烘干炉干燥等方式。
干燥的温度和时间要视原料不同而定。
烧结是固相烧结工艺的核心步骤。
它是指将干燥后的坯体置于高温环境下，在特定温度和时间内使之烧结成陶瓷材料的过程。
在烧结过程中，原料粒子之间会发生吸附、扩散和重组等现象，使粒子紧密结合，形成致密的陶瓷体。
密封是最后一个必须完成的步骤。
因为陶瓷材料的热膨胀系数很小，若在高温下使用时不能控制热胀冷缩，容易造成烧毁、爆裂等损伤。
因此，在烧结前后对陶瓷器进行密封处理，能有效避免陶瓷材料在高温下的损伤。
总之，陶瓷的固相烧结工艺对原料的精选、成型的精度、烧结的温度控制和密封的处理都有严格的要求。
只有精细的工艺流程和高品质的原材料，才能生产出质量优良、使用寿命长久、安全可靠的优质陶瓷制品。
二氧化钛的烧结温度
烧结方法/条件
烧结温度范围（℃）
最适宜温度范围（℃）
备注
一般烧结
1300~1650
1450~1550
在此温度范围内，钛白粉的颗粒大小和形状能够得到最佳的控制
粉体烧结法
300~500（常用）
-
先常温风干或100℃左右加热脱水，然后在600℃以下烧结；温度过高，TiO₂将由活性较高的锐钛矿型向活性较低的金红石型转化
锐钛矿转变为金红石
820~850
-
在实际生产中，为了控制制品不泛黄色，一般控制烧成温度不要超过850℃，烧成时间不要太长
在瓷釉中溶解
约1250
-
锐钛矿在瓷釉配合料中约1250℃完成溶解，850℃开始变成金红石
实验条件
1200
-ห้องสมุดไป่ตู้
对原料粉末在马弗炉中进行高温烧结处理，烧结时间为6h
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6.造粒 将烘干的粉料置于研钵中充分研磨，然后缓慢加入PVA溶液并不断搅拌，直到 粉料呈现粒度为0.1mm左右的均匀颗粒并不再粘器壁为止。期间要注意PVA应用玻璃棒蘸取 并逐滴加入且加入要均匀，实验时每次加入三滴左右，加完后要不停研磨1-2分钟或更长时 间，之所以控制滴数是为了防止PVA量过多，量过多反而不利于颗粒形成。造粒是实验过程 中很重要的一步，造粒好坏不仅直接影响成型质量，将来还会影响烧结，可谓成败再此一造。
1.56
0.5989 2.8498
5
13.10
1.80
0.6391 2.6356
1
13.08
2.20
0.7775 2.6314
2
13.08
1.98
0.7015 2.6380
3
13.08
1.78
0.6327 2.6466
4
13.08
2.00
0.6906 2.5711
3
1150
5
13.10
2.04
0.5944 2.1629
固相烧结法制备（Zn,Mg)TiO3 介质陶瓷及对其最佳烧结温度的确定
摘要 本实验采用传统的固相烧结法制备出(Zn，Mg）TiO3 介质陶瓷并对其烧结后的收缩率
和最佳烧结温度进行研究并得出结论，目的旨在了解和掌握固相烧结法的流程步骤和陶瓷材 料的制备方法并熟悉相关仪器的操作方法。 前言 微波介质陶瓷概述
6
13.10
1.50
0.5228 2.5872
7
13.06
1.80
0.5614 2.3294
8
13.10
1.30
0.4299 2.4548
1
13.10
2.00
0.6938 2.5751
2
13.10
1.88
0.6130 2.4204
3
13.14
2.26
0.7735 2.5252
4
13.10
2.26
0.8115 2.6654
1
1100
3
13.08
2.14
0.8006 2.7856
4
13.08
1.82
0.6780 2.7738
5
13.06
2.10
0.7797 2.7730
1
13.06
1.78
0.6248 2.6216
2
13.08
2.12
0.6902 2.4241
2
1200
3
13.10
1.82
0.6160 2.5124
4
13.10
同理可得 m（mgo）=2.4704g；m（tio2）=16.3029g；
即需要ZnO 11.4966g，MgO 2.4704g，TiO2 16.3029g.
步骤 1.配料及混料 使用电子天平准确按上述计算结果称量，称量时应及时关闭称量台窗口
以避免空气扰动造成误差。随后将配好的料加入球磨罐中，按球水比1：0.7：0.9加入水及 磨球。实际操作中，磨球放入25个左右的小球及6到7个大球为宜，加水量应在27ml左右为最 佳，加完后将球磨罐卡紧于球磨机上，湿法球磨4h，完成原料的充分混合和初级研磨。
4
1250
5
13.10
1.98
0.6589 2.4703
6
13.10
1.90
0.6711 2.6219
7
13.10
1.60
0.5038 2.3374
8
13.10
1.78
0.6000 2.5022
表1 烧结后压片各项参数如下表所示：
组
温度 /℃
压片 号
直径 厚度 质量 （mm） （mm） （g）
密度 g/cm3
1.48 1.36 1.80 1.47 1.70 1.38 1.50 1.30 1.34 1.40 1.70 1.38 1.58 1.50 1.28 1.18 1.28 0.98 1.58 1.44 1.74 1.90 1.52 1.58 1.20 1.40
0.6342 4.3517 0.5701 4.2570 0.7584 4.3562 0.6340 4.3643 0.7260 4.3681 0.5843 4.3152 0.6416 4.3907 0.5697 4.5473 0.5611 4.3450 0.5797 4.2811 0.7312 4.3836 0.5933 4.3350 0.6629 4.3068 0.6661 4.5096 0.5487 4.4321 0.4923 4.3291 0.5277 4.1867 0.4101 4.3422 0.6664 4.1198 0.5786 3.9386 0.7435 4.1738 0.7710 3.9776 0.6327 4.0659 0.6374 3.8859 0.4811 3.9298 0.5770 3.9838
14.50 14.37 15.14 14.22 14.55 14.40 14.83 15.42 15.42 15.27 14.53 14.07 14.83 14.37 15.27 15.42 14.24 15.42 12.82 12.98 13.09 12.98 12.82 12.21 12.98 12.37
8.烧结 将压片放入烘干1-2h，待其变白后取出，分别记录其直径，厚度及质量并进行 编号。实验将分四个不同温度段分别进行烧结，每组放入5个压片，将编号的压片5个5个放 入温控炉中进行烧结，烧结温度1200-1350度。四个温度段分别为1100，1200，1250，1300
度。现将温度升至900度保温两小时，然后升至实验温度进行烧结，时间4h，升温速率为10 度/min.
4.球磨 待炉温降至200度以下时将预烧粉取出，放于球磨罐中，按照步骤1的配比湿法 球磨8h，本实验中由于时间因素将时间缩短为4h。此次球磨为研磨主过程，目的在于充分磨 细粉料，为后面的造粒及成型做准备。球磨结束后去出磨球并将粉料烘干1-2h。
5.配制粘结剂 本实验造粒用粘结剂为PVA溶液。 PVA概述：聚乙烯醇（简称PVA）外观为白色絮状物，是一种用途相当广泛的水溶性
(1)低温烧结，以适用LTCC(低温共烧陶瓷)。 (2)以Mg、Ni、Co等元素取代A位的Zn，形成(ZnM)TiOs(M代表2价金属元素)固熔体，以 稳定具有优良微波介电性能的六方相结构。 本实验即是在在Zn-TiO系材料基础上引入Mg离子形成（Zn，Mg）TiO3固溶体。 实验 实验仪器 坩埚，研钵，DZF-6020型真空干燥箱，SC101-4A型电热恒温干燥箱，QM-ISP04 型行星式球磨机,FA1004N型电子天平，WZK三相可控硅温度控制炉，压片机及相应模具； ZnO,MgO,TiO2，PVA，酒精等 配方及原料配比 本实验旨在制备（Zn0.7，Mg0.3）TiO3型固溶体。其方程式如下： 0.7ZnO+0.3MgO+TiO2=(Zn0.7,Mg0.3)TiO3.共配制原料30g，已知ZnO，MgO及TiO2的纯度分别 为ZnO 99.5%，MgO 98%，TiO2 99%,则有： M（ZnO）=81*0.7=56.7g/mol； M(MgO)=40*0.3=12g/mol； M(TiO2)=80*1=80g/mol； 则 M=M(ZnO）+M(MgO)+M(TiO2）=148.7g/mol； 则有 m（zno)=（30/148.7*56.7）/0.995=11.4966g；
微波介质陶瓷是应用于微波频段（ 主要是300MHZ-30GHz 频段）电路中作为介质材料并 完成一种或多种功能的陶瓷，是现代通信广泛使用的谐振器，滤波器，介质导波回路等微波 元器件的关键材料。微波介质陶瓷制成的谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小，重量 轻，温度稳定性好，价格便宜等特点，已在便携式电话，汽车电话，无绳电话，直放站，军 事雷达及全球卫星定位 系统等方面获得广泛的应用[1]。微波介质陶瓷材料的介电性能应满 足如下要求：（1）在微波频率下具有合适的介电常数，从而满足实用要求；（2）较高的品质 因数（Q×f 值）；（3）在-50 ～ +100℃温度范围内τf要尽量接近于零，以保证器件工作的 稳定性。 ZnTiO3介质陶瓷概述
收缩率 /%
1 2 1 1100 3 4 5 1 2 2 1200 3 4 5 1 2 3 4 3 1150 5 6 7 8 1 2 3 4 4 1250 5 6 7 8
11.20 11.20 11.10 11.22 11.16 11.18 11.14 11.08 11.08 11.10 11.18 11.24 11.14 11.20 11.10 11.08 11.20 11.08 11.42 11.40 11.42 11.40 11.42 11.50 11.40 11.48
2.烘干 粉料魔好后将球磨罐取出，一次夹出磨球并进行清洗，洗涤后的液体装入一干 净的蒸发皿中。磨球取出后将浆料一并倒入蒸发皿中，随后将蒸发皿放入干燥箱中烘干，温 度设定为110度，时间为1-2h。
3.预烧 将烘干后的物料放入研钵中研细成均匀粉状放于干净且烘干的坩埚中，然后放 置于温控炉中进行预烧。温度为900度，升温速率为10度每秒，保温2h。此过程的目的是让 混合好的物料发生反应并生成（Zn，Mg）TiO3固溶体，其二是为了使料中的水汽等充分蒸发 并初步消灭气孔，防止烧结时出现开裂现象。
表2 将表2中平均收缩率随温度的变化绘制成图，有：
图1 由上图作收缩率对温度的导数，可得收缩速率随温度的变化关系即收缩速率变化为：