纳米钛酸钡在电子陶瓷材料中的性能和应用分析

2014-12-23江婵

山东工业技术 2014年10期

关键词：性能分析

江　婵

（华南理工大学，广州　510641）

纳米钛酸钡在电子陶瓷材料中的性能和应用分析

江婵

（华南理工大学，广州510641）

【摘要】本文主要综述了纳米钛酸钡粉体的性能和国内外具有代表性的应用研究，在此基础上分析了目前存在的问题．并提出了研究展望。

【关键词】纳米钛酸钡；电子陶瓷材料；性能分析

0　引言

平均尺寸在100nm以下的晶体所构成的陶瓷材料被称之为纳米陶瓷。早在1942年，陶瓷材料钛酸钡(BaTiO3，)被美、苏学者wainer和seljmon所发现以及其具有的特殊铁电性。之后，国内外对于BaTiO3，的提取及应用极为关注，美国和日本一些发达国家都投入了大量的物力、财力及人力对其粉体进行研制，出色的纯度及细度使BaTiO3，成为纳米BaTiO3，技术经过改良与完善后使得传统材料的性能有了前所未有的提升。本文主要论述纳米钛酸钡(BaTiO3，)粉体的性能以及应用，从而分析存在的问题和以后研究发展的展望。

1　纳米钛酸钡的性能和应用

纳米BaTiO3不但是目前电子陶瓷材料中使用量最多也是最广泛的基础原料之一，它被人们誉为“电子陶瓷业的支柱”。晶体陶瓷电容器、正温度系数热敏电阻、静电变压器、介质放大器、多层陶瓷电容器(MLCCS)、压电陶瓷、热电元件、红外辐射探测元件、声纳、电光显示板、存储器、半导体材料、变频器、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等等都使用了纳米BaTiO，由此可见它在电子陶瓷材料中的地位。

1.1物理性

BaTiO3又被称为偏钛酸铜钡，能被盐酸及浓硫酸、氢氟酸溶解，熔（1 625℃），密度（6.08g，cm3），相对分子质量（233.19）。因钡钛含量的不同，又分为BaTi4O9、BaTi3O7，、BaTi2O5、BaTiO3、等化合物，BaTiO3的实用价值最大。它有三方相、四方相、六方相、斜方相、和立方相等多方相，四方相晶体属最为常见。BaTiO3晶体电介质含有高介电常数，能通过直流电场中发出极化效应。居里相变温度达到120℃后从原来的立方相转变为四方相，晶体也随之具有压电性、铁电、电畴结构，晶体的电阻率在铁电变化温度点也就是居里点附近时，随温度升高出现阶层跳跃，这种现象就是PTC(Positive Temperature Coeff cienEffect)效应。纳米BaTiO3的优点不仅包括良好的耐压、压电、铁电性能，还包括低介电损耗、高介电常数以及绝缘性能等等。

1.2高介电常数

由于纳米材料BaTiO3相比一般的材料其介电常数较大，会随着测茸频率的降低而升高，介电损耗会因频率及温度发生改变并达到最高值这种特殊的介电性能，使它成为高频电路元件之中必不可少的一种材料，其强电性能也在很多设备中得到运用。BaTiO3陶瓷电容器电容量会随偏压的改变而产生变化的这一特性被用来控制交变电流放大。研究人员通过共沉淀法制备BaTiO3l00 nm的粉体，叫做原料制备陶瓷。通过研究其粉体粒度，不难发现它的粒度变大、陶瓷烧成温度提高与预烧温度的升高有着很大关系，这一特征使它具备了优秀的介温性能。当360 nm粒径的BaTiO3的粉体经过1290℃的灼烧之后居里峰介电常数值为8 119。

1.3压电效应

压电性是指由于电场或是机械力而发生作用，引起电介质之中的带电粒子发生了位置上的移动，并在表面发生电荷的现象，这一特性也被声学装置以及滤波器、测量装置等等所运用。属性为钙钛矿型的BaTiO3有优良的压电性，被广泛用于多种基于压电等效回路的振荡、传感器件、微波和声音转换、能鼍转换、信号转换，比方说可利用压电陶瓷能将外力转换成电能这个特性制造出炮弹引爆装置以及压电打火机等等。

1.4铁电效应

铁电性可以通过自身的作用进而发生极化作用，但是其他一系列的效应如果确少了铁电性就不能正常发挥作用，所以说铁电性是其他效应存在是一项必不可少的条件。它在电场作用的情况下，利用自身的特性引发极化作用，从而引起陶瓷热释电、压电、以及光电效应等现在的发生。

1.5正温度系数效应

正温度系数效应可在高于居里温度几十度的环境内使材料的铁电一顺电产生变化，室温的电阻率突增好多个数量级，这种热敏性陶瓷元件的独特效应称为PTC效应。BaTiO3热敏性陶瓷元件应用于汽车发动机启动器，程控电话保安器、彩电自动消磁器以及电冰箱压缩机启动器、过热保护器、温度传感器等等。晶体的结构、杂质、组成和纯度、制备工艺和PTC效应有着密不可分的联系，这也是国内外研究者亟待解决的问题之一。

1.6纳米BaTiO，的掺杂改性

掺杂改性是指把BaTiO3作为基础固溶体进而改良其微观结构及组织来完美其性能。近几年研究者发现，虽然纳米BaTiO3电子陶瓷有着很多的特异性能，却还是避不可免的存在不足之处，所以其将研究重点聚集在如何改良掺杂改性上。

程花蕾等研究人员通过利用sol—sel研制出掺硅纳米级(50 nm) BaTiO3粉体，将主要相组合成立方相，燃烧结晶后得到四方结构的掺硅BaTiO3陶瓷，并研究发现陶瓷室温的介电常数在4 08l，掺硅摩尔分数为0.003，以及介电损耗为0.004，时介电温度的稳定性能较好。

汪健等研究人员通过湿化学组成的方法研制出掺杂钴的BaTiO3陶瓷粉体，通过研究发现材料因Co含量的增加。在室内温度中晶相的组成会由四方相慢慢的变作六方与四方的复合相。晶相为纯六方相时x=0.2；六方和立方混合相时晶体x＞0.2时。电阻的温度关系随着材料的室内温度电阻的逐渐变小从正温度系数PTC特性变为负温度系数NTC特征。

田言等研究人员利用溶胶一凝胶法研制出掺杂稀土Gd的BaTiO3粉末样品，不但具备四方结构且其微波吸收性能也比较突出。将纯BaTiO3与研究样品作对比，发现晶粒变小，晶格常数a有所增加，晶格常数c有所下降，反射率峰位置发生蓝移并且反射率峰值有大幅下降，频带的宽度是纯BaTiO3的2倍，由此可见稀土Gd掺杂能够完善BaTiO3材料的微波吸收性能。