納米鈦酸鋇在電子陶瓷材料中的性能和應(yīng)用分析

江　嬋

（華南理工大學(xué)，廣州　510641）

納米鈦酸鋇在電子陶瓷材料中的性能和應(yīng)用分析

江嬋

（華南理工大學(xué)，廣州510641）

【摘要】本文主要綜述了納米鈦酸鋇粉體的性能和國(guó)內(nèi)外具有代表性的應(yīng)用研究，在此基礎(chǔ)上分析了目前存在的問題．并提出了研究展望。

【關(guān)鍵詞】納米鈦酸鋇；電子陶瓷材料；性能分析

0　引言

平均尺寸在100nm以下的晶體所構(gòu)成的陶瓷材料被稱之為納米陶瓷。早在1942年，陶瓷材料鈦酸鋇(BaTiO3，)被美、蘇學(xué)者wainer和seljmon所發(fā)現(xiàn)以及其具有的特殊鐵電性。之后，國(guó)內(nèi)外對(duì)于BaTiO3，的提取及應(yīng)用極為關(guān)注，美國(guó)和日本一些發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的物力、財(cái)力及人力對(duì)其粉體進(jìn)行研制，出色的純度及細(xì)度使BaTiO3，成為納米BaTiO3，技術(shù)經(jīng)過改良與完善后使得傳統(tǒng)材料的性能有了前所未有的提升。本文主要論述納米鈦酸鋇(BaTiO3，)粉體的性能以及應(yīng)用，從而分析存在的問題和以后研究發(fā)展的展望。

1　納米鈦酸鋇的性能和應(yīng)用

納米BaTiO3不但是目前電子陶瓷材料中使用量最多也是最廣泛的基礎(chǔ)原料之一，它被人們譽(yù)為“電子陶瓷業(yè)的支柱”。晶體陶瓷電容器、正溫度系數(shù)熱敏電阻、靜電變壓器、介質(zhì)放大器、多層陶瓷電容器(MLCCS)、壓電陶瓷、熱電元件、紅外輻射探測(cè)元件、聲納、電光顯示板、存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體材料、變頻器、記憶材料、聚合物基復(fù)合材料以及涂層等等都使用了納米BaTiO，由此可見它在電子陶瓷材料中的地位。

1.1物理性

BaTiO3又被稱為偏鈦酸銅鋇，能被鹽酸及濃硫酸、氫氟酸溶解，熔（1 625℃），密度（6.08g，cm3），相對(duì)分子質(zhì)量（233.19）。因鋇鈦含量的不同，又分為BaTi4O9、BaTi3O7，、BaTi2O5、BaTiO3、等化合物，BaTiO3的實(shí)用價(jià)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，四方相晶體屬最為常見。BaTiO3晶體電介質(zhì)含有高介電常數(shù)，能通過直流電場(chǎng)中發(fā)出極化效應(yīng)。居里相變溫度達(dá)到120℃后從原來的立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，晶體也隨之具有壓電性、鐵電、電疇結(jié)構(gòu)，晶體的電阻率在鐵電變化溫度點(diǎn)也就是居里點(diǎn)附近時(shí)，隨溫度升高出現(xiàn)階層跳躍，這種現(xiàn)象就是PTC(Positive Temperature Coeff cienEffect)效應(yīng)。納米BaTiO3的優(yōu)點(diǎn)不僅包括良好的耐壓、壓電、鐵電性能，還包括低介電損耗、高介電常數(shù)以及絕緣性能等等。

1.2高介電常數(shù)

由于納米材料BaTiO3相比一般的材料其介電常數(shù)較大，會(huì)隨著測(cè)茸頻率的降低而升高，介電損耗會(huì)因頻率及溫度發(fā)生改變并達(dá)到最高值這種特殊的介電性能，使它成為高頻電路元件之中必不可少的一種材料，其強(qiáng)電性能也在很多設(shè)備中得到運(yùn)用。BaTiO3陶瓷電容器電容量會(huì)隨偏壓的改變而產(chǎn)生變化的這一特性被用來控制交變電流放大。研究人員通過共沉淀法制備BaTiO3l00 nm的粉體，叫做原料制備陶瓷。通過研究其粉體粒度，不難發(fā)現(xiàn)它的粒度變大、陶瓷燒成溫度提高與預(yù)燒溫度的升高有著很大關(guān)系，這一特征使它具備了優(yōu)秀的介溫性能。當(dāng)360 nm粒徑的BaTiO3的粉體經(jīng)過1290℃的灼燒之后居里峰介電常數(shù)值為8 119。

1.3壓電效應(yīng)

壓電性是指由于電場(chǎng)或是機(jī)械力而發(fā)生作用，引起電介質(zhì)之中的帶電粒子發(fā)生了位置上的移動(dòng)，并在表面發(fā)生電荷的現(xiàn)象，這一特性也被聲學(xué)裝置以及濾波器、測(cè)量裝置等等所運(yùn)用。屬性為鈣鈦礦型的BaTiO3有優(yōu)良的壓電性，被廣泛用于多種基于壓電等效回路的振蕩、傳感器件、微波和聲音轉(zhuǎn)換、能鼉轉(zhuǎn)換、信號(hào)轉(zhuǎn)換，比方說可利用壓電陶瓷能將外力轉(zhuǎn)換成電能這個(gè)特性制造出炮彈引爆裝置以及壓電打火機(jī)等等。

1.4鐵電效應(yīng)

鐵電性可以通過自身的作用進(jìn)而發(fā)生極化作用，但是其他一系列的效應(yīng)如果確少了鐵電性就不能正常發(fā)揮作用，所以說鐵電性是其他效應(yīng)存在是一項(xiàng)必不可少的條件。它在電場(chǎng)作用的情況下，利用自身的特性引發(fā)極化作用，從而引起陶瓷熱釋電、壓電、以及光電效應(yīng)等現(xiàn)在的發(fā)生。

1.5正溫度系數(shù)效應(yīng)

正溫度系數(shù)效應(yīng)可在高于居里溫度幾十度的環(huán)境內(nèi)使材料的鐵電一順電產(chǎn)生變化，室溫的電阻率突增好多個(gè)數(shù)量級(jí)，這種熱敏性陶瓷元件的獨(dú)特效應(yīng)稱為PTC效應(yīng)。BaTiO3熱敏性陶瓷元件應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器，程控電話保安器、彩電自動(dòng)消磁器以及電冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)器、過熱保護(hù)器、溫度傳感器等等。晶體的結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、組成和純度、制備工藝和PTC效應(yīng)有著密不可分的聯(lián)系，這也是國(guó)內(nèi)外研究者亟待解決的問題之一。

1.6納米BaTiO，的摻雜改性

摻雜改性是指把BaTiO3作為基礎(chǔ)固溶體進(jìn)而改良其微觀結(jié)構(gòu)及組織來完美其性能。近幾年研究者發(fā)現(xiàn)，雖然納米BaTiO3電子陶瓷有著很多的特異性能，卻還是避不可免的存在不足之處，所以其將研究重點(diǎn)聚集在如何改良摻雜改性上。

程花蕾等研究人員通過利用sol—sel研制出摻硅納米級(jí)(50 nm) BaTiO3粉體，將主要相組合成立方相，燃燒結(jié)晶后得到四方結(jié)構(gòu)的摻硅BaTiO3陶瓷，并研究發(fā)現(xiàn)陶瓷室溫的介電常數(shù)在4 08l，摻硅摩爾分?jǐn)?shù)為0.003，以及介電損耗為0.004，時(shí)介電溫度的穩(wěn)定性能較好。

汪健等研究人員通過濕化學(xué)組成的方法研制出摻雜鈷的BaTiO3陶瓷粉體，通過研究發(fā)現(xiàn)材料因Co含量的增加。在室內(nèi)溫度中晶相的組成會(huì)由四方相慢慢的變作六方與四方的復(fù)合相。晶相為純六方相時(shí)x=0.2；六方和立方混合相時(shí)晶體x＞0.2時(shí)。電阻的溫度關(guān)系隨著材料的室內(nèi)溫度電阻的逐漸變小從正溫度系數(shù)PTC特性變?yōu)樨?fù)溫度系數(shù)NTC特征。

田言等研究人員利用溶膠一凝膠法研制出摻雜稀土Gd的BaTiO3粉末樣品，不但具備四方結(jié)構(gòu)且其微波吸收性能也比較突出。將純BaTiO3與研究樣品作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)晶粒變小，晶格常數(shù)a有所增加，晶格常數(shù)c有所下降，反射率峰位置發(fā)生藍(lán)移并且反射率峰值有大幅下降，頻帶的寬度是純BaTiO3的2倍，由此可見稀土Gd摻雜能夠完善BaTiO3材料的微波吸收性能。

2　結(jié)語(yǔ)

隨著電子及微電子工業(yè)的快速發(fā)展，美國(guó)、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家研制出了一系列的高純度超細(xì)度鈦酸鹽產(chǎn)品。微型化和小型化；模塊化和集成化；頻率系列化與高頻化；環(huán)境協(xié)調(diào)性及無(wú)鉛化等多個(gè)方面已然成為新型電子陶瓷無(wú)器件和其有關(guān)材料發(fā)展目標(biāo)與導(dǎo)向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]莊永勇,蒲永平,楊公安,王瑾菲,張寧.粉體粒度對(duì)BaTiO3陶瓷結(jié)構(gòu)與電性能的影響[J].中國(guó)陶瓷.2010(01).

[2]汪健,王申存,張鴻,李志成.鈷摻雜對(duì)鈦酸鋇陶瓷晶體結(jié)構(gòu)與電性能的影響(英文)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào).2009(03).

[3]續(xù)京,張杰.電子陶瓷材料納米鈦酸鋇制備工藝的研究進(jìn)展[J].石油化工應(yīng)用.2009(01).

[4]石成利,劉國(guó).電子陶瓷材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].陶瓷.2008(03) .

[5]程花蕾,崔斌,田靚,俞鵬飛,暢柱國(guó).摻硅鈦酸鋇納米粉體及其陶瓷的制備和表征[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008(01).

【作者簡(jiǎn)介】

江嬋，女,出生年月：1 9 8 5年出生，民族：漢族，籍貫：湖北黃梅人，學(xué)歷：博士學(xué)歷，助理研究員職稱。主要研究方向：無(wú)機(jī)功能材料。