BaTi2O5無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的制備

曲艷玲，張 帆，姚 遠(yuǎn)

（1. 沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 遼陽(yáng)110142； 2. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司， 遼寧 大連 116000）

鐵電材料具有介電、壓電、鐵電、熱釋電、光電及非線性光學(xué)等諸多特性，在微電子、光電子、集成光學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其制備、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用已成為新材料研究的熱點(diǎn)之一[1]。目前，廣泛研究和應(yīng)用的鐵電體主要為含鉛類材料，這類材料在制備和使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)給環(huán)境和人類健康帶來(lái)危害，為此迫切需要研發(fā)無(wú)鉛的鐵電材料。

BaTi2O5是一種新型的無(wú)鉛鐵電材料，它是BaO-TiO2體系中的一種富Ti的中間相[2]，屬于單斜結(jié)構(gòu)，自高溫到低溫經(jīng)歷著斜方→單斜的相變過(guò)程（相變溫度為475oC），其中斜方相為順電相，而單斜相為鐵電相[3]。與傳統(tǒng)的 BaTiO3相比，BaTi2O5僅在b軸具有鐵電現(xiàn)象，在居里溫度（475oC）附近的介電常數(shù)達(dá)到最大值20 500[4]，比BaTiO3大3倍，居里溫度約高340oC，其壓電性可以與PbTiO3相媲美，且具有比 PbTiO3高的居里溫度[5]，因而有望成為應(yīng)用前途廣闊的無(wú)鉛高溫鐵電材料。但是，BaTi2O5又是一種高溫介穩(wěn)相，溫度高于1 150oC時(shí)易分解生成BaTiO3和Ba6Ti17O40[4,6]，所以很難通過(guò)常規(guī)固相反應(yīng)合成。本文采用非均相共沉淀法制備BaTi2O5粉體，研究煅燒溫度對(duì)粉體晶相和微觀形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 粉體制備

實(shí)驗(yàn)所用原料包括分析純硫酸鈦，硝酸鋇，以去離子水為溶劑，聚丙烯酸(PAA)為吸附劑，碳酸氫銨為沉淀劑，采用非均相共沉淀法合成BaTi2O5粉體。

首先稱取一定質(zhì)量的硫酸鈦，溶解在一定量的去離子水中，轉(zhuǎn)入高壓釜內(nèi)，控制填充度為80%，在200oC下反應(yīng)保溫2 h后，取出沉淀后用去離子水反復(fù)洗滌，得到二氧化鈦懸浮液。在不斷攪拌下，將PAA滴加到二氧化鈦懸浮液中。稱取一定量的硝酸鋇溶解在去離子水中，逐滴滴加到含有PAA的二氧化鈦懸浮液中，最后再稱取一定量的碳酸氫銨添加到上述混合液中，得到非均相共沉淀物，經(jīng)過(guò)濾，干燥，得到前軀體粉體。將前軀體粉體在一定溫度下煅燒1 h，得到最終產(chǎn)物BaTi2O5粉體。

1.2 粉體表征

美國(guó)熱電公司NEXUS 470型紅外光譜儀（IR）對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。日本電子的日立S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)觀察粉體的表觀形貌，日本理學(xué)株式會(huì)社的D/MAX 2400型X射線衍射儀(XRD)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體的IR分析

圖1為不同煅燒溫度下粉體的IR譜圖。由圖可以看出，前軀體中3 421 cm-1弱而寬的峰為水的吸收峰，2 922 cm-1為CH2的伸縮振動(dòng)峰，2 451 cm-1峰為聚丙烯酸中的甲基（-CH2-）與沉淀劑碳酸氫銨的NH4+配位后的振動(dòng)吸收峰，波數(shù)為1 443 cm-1的峰為CO3

2-的振動(dòng)吸收峰，波數(shù)1 074 cm-1，857 cm-1三處吸收峰為Ba-O的振動(dòng)吸收峰，波數(shù)為569 cm-1處的寬峰為 Ti-O鍵的特征吸收峰，由此說(shuō)明前軀體主要由TiO2、BaCO3和PAA組成；隨著煅燒溫度的升高，可以看出聚丙烯酸的特征吸收峰逐漸消失，溫度達(dá)到800oC時(shí)，PAA和CO32-的特征吸收峰消失，說(shuō)明PAA和BaCO3分解完全，當(dāng)溫度到達(dá)1 100oC以后，在1 000~ 4 000 cm-1范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有明顯的特征峰，標(biāo)志著生成了最終產(chǎn)物BaTi2O5。

圖1 不同煅燒溫度下粉體的IR譜圖Fig.1 IR spectra of powders obtained at different temperatures.

2.2 粉體的XRD分析

圖2 不同溫度下煅燒后粉體的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of powders obtained at different temperatures

XRD圖譜，由圖2可以發(fā)現(xiàn)：前軀體主要由 TiO2和BaCO3晶相組成；隨著煅燒溫度的升高，達(dá)到800oC時(shí)主要晶相為BaTiO3，有TiO2雜相。當(dāng)溫度達(dá)到1 100oC時(shí)生成單一晶相的BaTi2O5粉體，與BaTi2O5的PDF卡片（PDF#70-1188）比對(duì)，發(fā)現(xiàn)合成粉體的衍射峰與單斜晶相BaTi2O5的標(biāo)準(zhǔn)峰相吻合，證明通過(guò)非均相共沉淀法可得到單一晶相的BaTi2O5。

2.3 粉體的表面形貌

圖3為前軀體及1 100oC煅燒1 h后BaTi2O5粉體的SEM照片，由圖可以看出，前軀體為片狀疊加生長(zhǎng)，顆粒尺寸大小均勻分散，錯(cuò)落有致，粒徑約為50~100 nm。為前軀體粉體在1 100oC下煅燒1 h所得到的BaTi2O5粉體的SEM照片，可以看出，粉體仍疊加生長(zhǎng)，且尺寸明顯長(zhǎng)大，有明顯的團(tuán)聚。

圖3 粉體的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of powders

圖4 在1 100 ℃下煅燒1 h粉體XRD譜圖Fig.4 XRD pattern of powders obtained at 1 100 ℃for 1 h

2.4 壓片煅燒對(duì)粉體制備的影響

由圖4可以看出在相同的條件下，壓片煅燒和未壓片煅燒對(duì) BaTi2O5粉體的制備有很大的影響。當(dāng)粉體壓片煅燒時(shí)，在1 100 ℃下煅燒1 h，可以形成單一晶相的BaTi2O5。而未壓片卻不能形成BaTi2O5而是形成BaTiO3和TiO2等混合晶相。這是因?yàn)榉垠w未壓片時(shí)，顆粒與顆粒之間的接觸面積小，不利于晶相的形成；相反，當(dāng)粉體壓片煅燒時(shí)，顆粒與顆粒間接觸面積大，有利于晶相的最終形成。

3 結(jié)束語(yǔ)

以硝酸鋇和自制的二氧化鈦懸浮液為原料，通過(guò)非均相共沉淀法制備了前驅(qū)體粉體。然后將前軀體在1 100oC下煅燒1 h得到單一晶相的BaTi2O5粉體。SEM圖片顯示 BaTi2O5粉體疊加生長(zhǎng)，有明顯的團(tuán)聚。前驅(qū)體粉體壓片煅燒時(shí)，顆粒與顆粒間接觸面積大，有利于晶相的最終形成。BaTi2O5粉體的成功制備可為無(wú)鉛壓電陶瓷的研究帶來(lái)新思路。

［1］ 彭健，王傳彬，李凌,等．BaTi2O5鐵電陶瓷的放電等離子燒結(jié)[J].稀有金屬材料與工程，2011，6(40)：364-366.

［2］ Wang Liqiu，Kang Hongmin，Xue Dongfeng，et al．Phase Evolution of BaTiO3Nanoparticles:An Identification of BaTi2O5Intermediate Phasein Calcined Stearic Acid Gel[J].Journal of Physical Chemistry C,2008，112(7)：2382-2388.

［3］ Masatomo Yashima，Rong Tu，Takashi Goto，et al．Crystal structure of the high-temperature paraelectric phase in barium titanate BaTi2O5[J].Applied Physics Letters，2005，87(101909)：1-3.

［4］Takaya Akashi，Hiroaki Iwata，Takashi Goto．Dielectric Property of Single Crystalline BaTi2O5 Prepared by a Floating Zone Method[J].Materials Transactions，2003，44(8)：1644-1646.

［5］ Umesh Waghmare，Marcel H. F. Sluiter，Teiichi Kimura，et al．A lead-free high-TCferroelectric BaTi2O5: A first-principles study[J].Applied Physics Letters, 2004, 84(24)：4917-4919．

［6］ Lee Soonil，Randall Clive A.，Liu Zikui．Modified Phase Diagram for the Barium Oxide–Titanium Dioxide System for the Ferroelectric Barium Titanate[J].Journal of the American Ceramic Society，2007，90(8)：2589-2594．