掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料制备方法及性能测试

周　敏　何柄谕　蔡晓威　张　超

(苏州纽艾之光净化设备有限公司,苏州 215513)

掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料制备方法及性能测试

周敏何柄谕蔡晓威张超

(苏州纽艾之光净化设备有限公司,苏州 215513)

摘要:对于介质阻挡放电的低温等离子发生体材料不仅要求具备良好地介电性质，而且要求具备良好地机械性能。本论文提出的掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的介电常数为82，介电损耗介电损耗(tanδ)为0.0062，断裂韧性为6.2MPa·m1/2，在同类材料里拥有良好的介电性质和机械性能，因此其可以作为一种良好的介质阻挡放电的低温等离子发生体材料。

关键词:电子陶瓷材料;ZrO2纳米线;CaTiO3陶瓷;低温等离子

臭氧和低温等离子体具有广谱、高效的杀菌作用，可广泛用于各种空气、水、食品的消毒和污水处理。用介质阻挡放电技术制备臭氧和低温等离子体是当前国际上的最新技术。推动介质阻挡放电技术发展的关键在于研究和制备以精密电子陶瓷为基体的发生体。

由于SrTiO3其具备较高的表观介电常数以及介电损失低等特点，目前以SrTiO3为基底的电子陶瓷材料运用于臭氧和低温等离子体发生片生产领域。然而现有以SrTiO3为基底的电子陶瓷制成的臭氧发生器对生成臭氧的速率低，并且机械性能差，导致仪器的使用寿命短。掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷不仅具备更高的表观介电常数而且具备更低介电损失等特点。介电常数的提高促进了臭氧的生成速率的加快，而且纳米ZrO2对材料具备良好的增韧作用，增加陶瓷材料的机械性能，延长了使用寿命。

本文对掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的制备工艺及性能进行研究和深入地分析。

1实验部分

1.1　实验药品和仪器

实验药品：CaTiO3(分析纯),SrTiO3(分析纯),ZrO2(分析纯),BaTiO3(分析纯),TiO2(分析纯),ZnO(分析纯),Bi2O3(分析纯)。

实验仪器：电子分析天平(CP153，北京北方首衡电子科技有限公司)、电阻炉(YFX5/160-TC,上海意丰电炉有限公司)、交频行星式球磨机(XQM-2型，南京科析实验仪器研究所)、电热恒温鼓风干燥箱(DH-101，天津中环实验电炉有限公司)、标准筛布(上虞市五星冲压筛具厂)。

1.2　配方与工艺流程

以质量分数为72%的CaTiO3和19% SrTiO3的为基料，掺杂料ZrO2纳米线，BaTiO3，TiO2，ZnO，Bi2O3的用量分别按质量分数为5%,1.3%,0.6%,1.4%,0.7%进行配比。将配料放入玛瑙罐内，按料∶球∶酒精=1∶2∶1(质量比)加入玛瑙球及酒精，在球磨机上磨24 h。取出烘干，研细，加入3%的聚乙烯醇( PVA)溶液混匀，烘干，造粒(过200目筛)。在750 kPa下压成内径0.8 mm，外径1.2mm,长度约40mm的毛细管。在电炉内，按每小时上升两百度的速度升温，在800℃保温排胶20min，然后升温至1300℃，保温烧结5h后缓慢冷却。在陶瓷毛细管两面涂覆银浆料，在820℃下烧结被银。

2结果与讨论

2.1　SEM

扫描电子显微镜(SEM)是研究样品表面形貌的最重要的电子光学仪器之一,它有较高的分辨率,放大倍数可在很大范围内调节(100—2×103),并有较大的景深,适于对各种样品的表面形貌观察分析。掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的SEM图如图1所示。从图中我们可以清晰地看见ZrO2纳米线贯穿于陶瓷材料之间，起到纳米纤维增韧的效果。

图1 掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的SEM图

2.2　介电常数与介电损耗

介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。坯料烧结后冷却至室温，对其进行喷金处理，测其电容、厚度和电极直径，计算介电系数。C=Q/U对圆形样品推出介电系数的公式为：

ξ =14.4C×h/D2

C——电容(PF)

h——试样厚度(cm)

D——电极直径(cm)

介电损耗的问题,实质上就是研究能量转换问题。根据介质理论中关于介电损耗的定义,是指电介质在单位时间内单位体积中,将电能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量。在一般的电介质物理教科书中,或在实际工程应用中,介电损耗通常用介质损耗角的正切tanδ来表示的,因此研究介电损耗的重点,就自然地集中于能表征电介质在交变电场中损耗特性的参数tanδ上。

测量得出，掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的介电常数与介电损耗如表1所示。

表1　掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的

3.3　断裂韧性

实验采用单边切口梁法(SENB)，在 Instron 5569电子万能材料试验机上完成，跨距为 16mm，压头速率 0.05mm·min-1。试样尺寸为2mm×4mm×22mm(宽×高×长)，切口深度为 2mm，宽为 0.2mm。测试结果为 6个试样的平均值。断裂韧性 KIC由下式计算：

式中

P——试样断裂时最大载荷，N；

L——试样长度，mm；

w——试样宽度，mm；

h——试样高度，mm；

a——试样切口深度，mm。

Y表示为试样的形状因子。

实验测得掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料的绕曲强度与断裂韧性如表2所示。

表2　陶瓷电极材料绕曲强度与断裂韧性统计表

3总结

作为介质阻挡放电的低温等离子体发生材料不仅仅需要具备较好的介电性能，而且在交流电环境中，属于电介质的发生体材料会反复经历由电场变化形成的形变从而容易破损断裂，因此对发生体材料的机械性能有较高的要求。

实验制得的掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料不仅具备较好的介电性质，介电常数为82，介电损耗介电损耗(tanδ)为0.0062，而且具备较好的机械性能，断裂韧性为6.2MPa·m1/2。这使得它作为低温等离子发生体材料不仅能够高效地产生低温等离子体，并且通过纳米线增韧的方式使得材料具备良好的断裂韧性，拥有较好的机械性能。由此可见，掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料是一种良好的低温等离子发生体材料。

参考文献

[1]李涛,BaTiO3电子陶瓷制备及性能测试[J],中国科技信息,2008(6):261-262.

[2]鲍慈光,龙志勇,李琳,莫威,SrTiO3基沿面放电电极材料配方优化[J],计算机与应用化学，2001,3(18)：257-260.

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我国陶瓷行业的私人定制前景

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ZrO2Doped Nanowires CaTiO3Ceramic Electrode Material Preparation and Performance Testing

Zhou MinHe BingyuCai XiaoweiZhang Chao

(Suzhou Niuai Light purification equipment Co., Ltd.Suzhou 215513)

Abstract:For the low-temperature dielectric barrier discharge plasma generating materials not only have good dielectric properties, and requires good mechanical properties. CaTiO3ceramic ZrO2doped nanowire electrode material dielectric constant in this thesis is 82, dielectric loss dielectric loss (tanδ) of 0.0062, the fracture toughness of 6.2MPa· m1 / 2, in the same material with good inside dielectric properties and mechanical properties, so it can serve as a good low-temperature dielectric barrier discharge plasma generating material.

Keywords:electronic ceramic materials;ZrO2nanowires;CaTiO3ceramic;low-temperature plasma

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.009