熔盐法合成BaNd2Tia0i2高介微波介质粉体及其表征

1、熔盐法合成BaNd2Tia0i2高介微波介质粉体及其表征目前微波介质陶瓷大多采用常规的高温固相法制备，不仅烧结时间长，难以获得致密结构R组分弈易挥发，导致产物偏离预期组成而造成材料性能的恶化和不稳宦性°因此制备高性能的淤波介硕陶瓷需要进一步地改进其制备工艺.本文采用熔掘法合成BaNdTUOu高仆微波介质粉休，该方法具有操作简单.产物合成温度低，純度较髙，配比精确箱忧点。2.2实验药品和仪器2.2,1实验药品本立采用的实醴药品如表21所示.所用的原料和试剂均为市書产品.未经进一步纯化处理，克接便用.表:M实畀跖品Table2*1Reaentiofexperiment药品名略分子式产地B

2、aCOj分析纯天津科盪欧化学试刑奇瑕公司一就化钛TO分折範大津科密欧化学试刑有限公司氧化放NdjOa井析纯天津科空欧比学试剂疥理公司二甲苯匚皿分析纯大津科密欧化学试剂有凰公可异丙醉CjHQ分折纯尺津科克欧化学试剂有曜公可丙匯CiHO分析纯夭津科密欧址学试剂有卑公司222实验仪器木丈便用的实验仪器如衷2-2所示.H实验仪器Tabk:2-2Insmmentsofexperiment仪as容称仪器型号生严厂家电热ifiiflT燥篦DH-2O2型天津市中环实脸电炉有限公甸数足电子天平T-403型北京赛多利斯仪器系统有限公可球磨机SX型无稠马弗炉SX-G02102天津市中环实验电炉有限公司压片机HY-1

3、2天津天光光学仪器有限公司2.3试样制备与测试2.3.1 BaNd2TuOi2粉体的制备参考KatayamalS等的研究，我们采用KCI熔盐法制备BaNd：TiQ)微波介质陶瓷粉体。实验所用原料为BaCO3(99.0%),TO2(99.0%),Nd2O3(99.0%),KCI(99.5%)。实验流程如图21所示。过程的球戯参数为：球磨罐的内径和高度为(pl20mmx130mm,Zr6陶瓷球的大小为<p10mm*10mm,转速为120r/min,研肆介质约占1/2球鼻維空间。球BNT4:KCm比为1.09:1烘干井过50目IT各用图21熔盐法制备BaNchTuOt：粉体的实验流程Fig.2

4、-1Molten-saltsynthesisoftheBaNdTiQi,powder将BaCOj.NdzO八TiCh原料按I:1:4摩尔比配料并将混料装入球磨碓(120mm"30mm)中.加入ZrO?研磨介质,以异丙醇为洛剂在90r/min的转速下球磨48小时。后续加入KCKKC与原料的质量比为I:1.09和适虽异丙醇继续球磨24小时，出料经晾干并过50目筛"称取适星球阱混料加入和化铝)tti«(<p60mmx75nin)中进行锻烧处理.锻烧后的粉体置于沸水中搅拌洗涤/过滤重复6次直至用AgNO3水溶液滴定滤液里不再含有cr,表明已充分洗涤掉残余的KCI,过

5、滤沉淀物经烘干待下一步使用.2.3.2 差热分析(DifTerenlialThermalAnalysis)物质加热或冷却到某一特定温度下，往往伴随有吸热或放热效应的物理、化学变化.如晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融、玻璃化转变以及氧化还原、分解、脱水和离解等化学变化.差热分析是在完全相同的加热条件下，记录被研究样品与热稳定的参考样品间的温度差随时间或温度的变化，即DTA曲线，JC突变部分对应相关的物理和化学变化的产生.在DTA曲线中横坐标代表时间或温度，纵坐标代衷温度差，吸热过程为向下的峰，放热过程为向上的峰。本实验采用日本Seiko公司生产的TG/DTA6300型热分析仪探究材料的合成温度区

6、间。2.3.3 热畫分析(Thermogravimetiy)许多物质在加热和冷却过秤中除产生热效应外，往往还会发生质最的变化，其变化的大小及出现的温度与物质的化学组成和结构密切相关因此利用加热和冷却过程中物质质量变化的特点，可以区别和鉴定不同的物质。热龜分析就是在一定的升温程序下，测塑试样的质呈随温度变化关系即热重曲线的一种技术在TG由线中，横坐标为温度或时间，纵坐标为质量或失童百分数。本实验对粉体压坯的热重分析测试是在日本Seiko公司的TG/DTA6300型热分析仪上完成的.2.3.4 X射线衍射分析(X-rayDiffractionAnalysis)X射线衍射法是利用X射线在晶体中的衍射

7、现象来测试结晶态的.其基本原理是布拉格(Bragg)公式：nk=2</sin0公式(21)式中.0为布拉格角，d为品面间距，入为入射X射线的波长。只有满足Bragg公式.才能得到衍射峰。根据试样中衍射线的位置、数目及相对强度等可确定试样包含的结晶物质及其相对含量.实验采用日本Rigaku公司的D/MAX-25OO型X射线衍射仪完成粉体的物相分析所便用的靶材为铜杞CuKa(U1.54l8A)菅电压为30kV,管电流为20mA,扫描速率为0.5°/min,扫描步K为0.02°,测试的角度范岀为1580%对于粉末状样品，取适量的粉体装入带凹梢的玻璃裁片上，用干净平整的玻璃片

8、将其刮平进行测试，并借助Jade软件依据JCPDS标准卡片进行相关的物相比对.2.3.5 扫描电子显微镜分析(ScanningElectronMicroscopy)扫描电子显微镜分析简称SEM,它是利用聚焦电子束在试样表面按一定时间、空间噸序作栅网式扫描，过程中与试样相直作用产生二次电子信号发射(或其他物理信号)，发射量的变化经转换后在镜外显微荧光屏上逐点呈现出来，从而得到反映试样表面形貌的二次电子像.利用SEM的二次电子成像可观察表面起伏的样品和断口，因此它特别适合于观测粉体颗粒三维方向的立体形貌。此外,扫描电镜也可较大范围地观察大尺寸团聚体的大小、形状和分布等几何性质。实验中，粉体的形貌特

9、征采用日本JEOL公司的JSM-6700F型扫描电子显微镜进行观察和分析.2.4结果与分析熔盐法合成BaNd2Ti4Oi2粉体的懒烧制度Temperature(*C)图2-2BaCOjnMdjOvTiOyKCI浪合物的DTA和TG图谱Fig.2-2DTAandTGoftheBaCOj/NdjOj/TiCh/KCIpowdermixture茎热分析（DTA）结合热重分析（TG）可直接研究材料在加热过稈中发生的物理化学变化及相应的转化温度，如化学反应温度、相转变温度、熔融温度、玻珂化转变温度、吸脱附温度，以及由非晶态向晶态转变的结晶温度等。这些变化过程往往伴随着热量的释放或吸收，有些过程还包含质量

10、的变化。从分析结果中可以确定相应材料的锻烧制度，同时也为研制新型陶瓷材料和制造工艺的控制提供极为有用的数据。图22为氧化物原料与KCI混合物的DTA和TG图谱。如图DTA曲线所示,7749出现一个尖锐的吸热峰。已知KC1的熔点为77（TC故774*C处的吸热峰为KC1熔化吸热导致。这说明从774*C开始，整个反应物体系处于KCI熔融盐环境中。从TG曲线可见，800-C-980-C温度区间内TG曲线陡然下降，之后整个加热过程不再有质虽的损失.该质最损失只能是BaCOj热分解排出C02引起的，而实际BaCCh的热分解温度为1380X2,说明KCI熔盐可大人降低BaCOi的热分解温度。DTA曲线在9

11、80*0-1200*区间出现一个放热峰，对应着BaNdgTLOd晶体的形成.由此熔盐法制备BaNdzTiOn粉体的锻烧温度区间为980匸12009。2Ti4Oi2粉体的合成noornoorAB*Nd,TiOB»Nd,TLOtftaTQNdTiOVT020<decrees)图23不同锻烧制度合疲的BaNgTiQn粉体的XRD图诰Fig.2-3X-raydilYracoonspectraoftheBaNd/TiQupowderpreparedat900*0,950XlOOO'C,I050X?,1100X?and1200*Ctrespectively实验分别称取一定量的球磨混

12、料在900*0、950*0、lOOO'C、1050、I1OO*C和12009下进行最烧.并保温15小时.图2-3为各锻烧制度所得产物的XRD图谱.从图中可以看出，900-C.950*C的锻烧产物主要为BaNdzTLOd、BaTiO:和NdTiOa，还有少量TK)2存在，说明反应没有进行完全.当锻烧温度升至1000-C时.BaTiOj、NdTiOj和TiO?等第二相消失，生成的产物衍射峰与BaNd'TLOn的标准衍射峰十分吻合.说明合成的目标产物纯度很高。从I050C继续升高温度至12000NdTKh相的含屋超过BaNdzTiQj相而成为主晶相°由此确定熔盐法制备BaNdE心2粉体的最佳锻烧制度为1000C，保温15小时。粉体的显微形貌图2M给出1000'C反应15小时所合成的BaNd：Ti40i2粉体的显微形貌图像,从图可见.熔盐法制得的粉体由棒状和等轴颗粒组成.其中纳米棒的平均长度为2pmo由于反应体系为液相，有利于粒子的迁移和扩散，这说明BaNd2Ti4OI2晶粒易于取向生长成棒状结构少星的等抽晶粒可能是未来得及生长成棒状晶粒的纳米晶.在反应体系中，熔融盐始终贯穿于BaNdzTiOn粉体颗粒之间，可阻止颗粒间相互粘连，从而使合成粉体结构疏松，未出现严重的团聚现象.图24熔