專利名稱：一種高致密BaTi₂O₅塊體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法。
背景技術(shù)：
由于具有介電、壓電、鐵電、熱釋電、光電及非線性光學(xué)等諸多優(yōu)良性能，鐵電材料表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，其制備、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用業(yè)已成為當(dāng)前新材料研究的熱點(diǎn)之一。 BaTi2O5是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型無(wú)鉛鐵電材料，其居里溫度T。為475°C，比傳統(tǒng)BaTiO3高約340°c，沿b軸方向的介電常數(shù)高達(dá)30000，具有與InyriO3相比擬的壓電響應(yīng)特性，而且綠色環(huán)保。因此，BaTi2O5被認(rèn)為是一種性能優(yōu)良特別是在高溫環(huán)境中非常具有應(yīng)用潛力的鐵電新材料。近年來(lái)，人們先后采用溶膠-凝膠、水熱合成、急冷、區(qū)熔等方法獲得了 BaTi2O5粉末、帶材、微球和單晶塊體等，但是這些產(chǎn)物的尺寸都很小(一般只有幾微米 幾毫米)，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。雖然目前也有制備大尺寸(直徑> 10mm) BaTi2O5陶瓷塊體的少量報(bào)道， 但其致密度較低(< 90% )，難以滿足應(yīng)用需求。例如，H. BeltnSn等人[1]采用常壓燒結(jié)法， 在1200°C以下獲得了 BaTi2O5陶瓷塊體，但大量氣孔的存在導(dǎo)致其致密度很低；G. J. Li[2]和 J. Xu[3]等人通過(guò)添加Β203、Ζι 2和KF等燒結(jié)助劑，可在一定程度上提高BaTi2O5陶瓷的燒結(jié)致密度，但這些外加劑卻對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響；R. Tu[4]等人利用熱壓燒結(jié)制備BaTi2O5 陶瓷塊體，但受原料粒度的限制，致密度仍較低。因此，為實(shí)現(xiàn)BaTi2O5陶瓷的實(shí)際應(yīng)用，急需尋找一種簡(jiǎn)便有效的制備高致密(致密度> 95% )BaTi2O5陶瓷塊體的新方法。參考文獻(xiàn)[1]H. Beltran, B. Gomez, N. Maso, Ε. Cordoncillo, P. Escribano. A. R. West, Journal of Applied Physics 97,084104(2005)[2]G. J. Li, R. Tu, T. Goto, Materials Research Bulletin 44,468(2009)[3]J. Xu and Y. Akishige, Applied Physics Letters 92,052902(2008)[4] R. Tu, T. Goto, Materials Transaction 47，2898 (2006)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，該方法制備的 BaTi2O5陶瓷塊體的致密高，方法簡(jiǎn)便。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于它包括以下步驟1)將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨球材質(zhì)為瑪瑙，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球料比為3 1 10 1，球磨時(shí)間15 25h，轉(zhuǎn)速200 400r/min， 得到BaTi2O5微粉；2)將BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空 (1(Γ3 I(T1Pa)中以80 150°C /min的速率升溫至980 1100°C，保溫5 15min，并施加30 60MPa的軸向壓力，然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以2 10°C /min的速率升溫至800 1000°C，保溫12 Mh，得到BaTi2O5陶瓷塊體。所述的BaTi2O5原料粉體由BaCO3和TW2混合粉末電弧熔煉制得，BaCO3與TW2的摩爾比1 2，未添加任何燒結(jié)助劑，BaTi2O5原料粉體的平均粒徑為40 μ m。所述的BaTi2O5微粉的物相單一，平均粒徑3 18 μ m。所述的BaTi2O5陶瓷塊體的致密度為95. 1 98. 5%，直徑為10 30mm。本發(fā)明首先利用高能球磨對(duì)較粗的BaTi2O5原料粉體進(jìn)行細(xì)化處理，通過(guò)減小粉體的顆粒尺寸增大其比表面積且促進(jìn)晶格畸變，進(jìn)而提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，因此可有效改善 BaTi2O5粉體的燒結(jié)活性。其次，采用放電等離子燒結(jié)方法，利用其升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)常壓或熱壓燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、所需燒結(jié)溫度高等不足，能有效抑制燒結(jié)過(guò)程中的晶粒異常長(zhǎng)大并通過(guò)顆粒間的放電進(jìn)一步促進(jìn)燒結(jié)，因而可獲得晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)均一、高致密的BaTi2O5陶瓷塊體。本發(fā)明中制備的BaTi2O5陶瓷塊體物相單一、尺寸大(直徑10 30mm)，而且在不摻雜任何燒結(jié)助劑的情況下，依然具有極高的致密度(> 95% )，應(yīng)用前景廣闊，特別是作為沉積BaTi2O5薄膜的高質(zhì)量靶材，對(duì)于推動(dòng)BaTi2O5薄膜材料及相關(guān)器件的研究與發(fā)展具有重要的意義。


圖1為實(shí)施例1中BaTi2O5原料粉體與研磨后的BaTi2O5微粉的物相比較圖；圖2為實(shí)施例1中BaTi2O5原料粉體(圖2 (a))與研磨后的BaTi2O5微粉(圖2 (b)) 的外觀形貌與粒徑分布圖；圖3為實(shí)施例1中BaTi2O5原料粉體(圖3(a))與BaTi2O5微粉(圖3(b))經(jīng)放電等離子燒結(jié)和熱處理后得到的BaTi2O5陶瓷塊體的顯微結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例1 一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，它包括以下步驟1)由BaCO3和TW2混合粉末電弧熔煉制得BaTi2O5原料粉體，BaCO3與TW2的摩爾比1 2，未添加任何燒結(jié)助劑，BaTi2O5原料粉體的平均粒徑為40 μ m ；將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨球材質(zhì)為瑪瑙，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球料比為6 1，球磨時(shí)間20h，轉(zhuǎn)速300r/min，得到BaTi2O5微粉；所述的 BaTi2O5微粉的物相單一，平均粒徑7 μ m ；2)將6. 4g的BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空(10_3)中以100°C /min的速率升溫至1050°C，保溫lOmin，并施加50MPa的軸向壓力，然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以5°C /min的速率升溫至9000C，保溫Mh，得到致密度97. 3%、直徑20mm的BaTi2O5陶瓷塊體。BaTi2O5原料粉體與研磨后的BaTi2O5微粉(高能球磨微粉)的物相、外觀形貌與粒徑分布及其經(jīng)放電等離子燒結(jié)和熱處理后得到的陶瓷塊體的顯微結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2和圖3所示。圖1說(shuō)明了 BaTi2O5原料粉體與研磨后的BaTi2O5微粉均為單一的BaTi2O5相，表明本發(fā)明采用高能球磨未對(duì)粉體物相產(chǎn)生影響。圖2 (a)和圖2(b)分別為BaTi2O5原料粉體與研磨后的BaTi2O5微粉的顯微形貌與粒徑分布，可以看出，球磨后粉體的顆粒尺寸大幅度減小，粒徑分布范圍更窄，尺寸分布更加均勻。圖3是BaTi2O5原料粉體與研磨后的BaTi2O5 微粉分別在1050°C放電等離子燒結(jié)和900°C熱處理24h后得到的陶瓷塊體的顯微結(jié)構(gòu)，可以看出，由BaTi2O5原料粉體燒結(jié)的陶瓷塊體(圖3(a))結(jié)構(gòu)疏松，存在較多氣孔，經(jīng)測(cè)試其致密度僅為90.7% ；而同樣的工藝下由研磨后的BaTi2O5微粉燒結(jié)的陶瓷塊體(圖3(b)) 結(jié)構(gòu)致密，幾乎看不到氣孔，而且晶粒發(fā)育完整。實(shí)施例2 一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，它包括以下步驟1)由BaCO3和TW2混合粉末電弧熔煉制得BaTi2O5原料粉體，BaCO3與TW2的摩爾比1 2，未添加任何燒結(jié)助劑，BaTi2O5原料粉體的平均粒徑為40 μ m ；將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨球材質(zhì)為瑪瑙，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球料比為3 1，球磨時(shí)間15h，轉(zhuǎn)速200r/min，得到BaTi2O5微粉；所述的 BaTi2O5微粉的物相單一，平均粒徑18 μ m ；2)將14. 5g的BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空(10_2)中以80°C /min的速率升溫至980°C，保溫5min，并施加30MPa的軸向壓力，然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以2°C /min的速率升溫至 800°C，保溫12h，得到致密度95. 1%、直徑30mm的BaTi2O5陶瓷塊體。實(shí)施例3 一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，它包括以下步驟1)將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨球材質(zhì)為瑪瑙，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球料比為10 1，球磨時(shí)間25h，轉(zhuǎn)速400r/min，得到BaTi2O5微粉；所述的BaTi2O5微粉的物相單一，平均粒徑5 μ m ；2)將1. Sg的BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空(I(T1Pa)中以1500C /min的速率升溫至1100°C，保溫15min，并施加60MPa的軸向壓力， 然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以8 V /min的速率升溫至 1000°C，保溫Mh，得到致密度98. 5%、直徑IOmm的BaTi2O5陶瓷塊體。本發(fā)明所列舉的工藝參數(shù)(如球磨時(shí)間、球料比、升溫速率等)的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于它包括以下步驟1)將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨球材質(zhì)為瑪瑙，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球料比為3 1 10 1，球磨時(shí)間15 25h，轉(zhuǎn)速200 400r/min，得到 BaTi2O5 微粉；2)將BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空中以80 1500C /min的速率升溫至980 1100°C，保溫5 15min，并施加30 60MPa的軸向壓力， 然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以2 10°C/min的速率升溫至 800 1000°C，保溫12 24h，得到BaTi2O5陶瓷塊體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于所述的 BaTi2O5原料粉體由BaCO3和TW2混合粉末電弧熔煉制得，BaCO3與TW2的摩爾比1 2， BaTi2O5原料粉體的平均粒徑為40 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于所述的 BaTi2O5微粉的平均粒徑3 18 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于所述的 BaTi2O5陶瓷塊體的致密度為95. 1 98. 5%，直徑為10 30mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于所述的真空的真空度10_3 IO-1Pa1全文摘要
本發(fā)明涉及一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法。一種高致密BaTi2O5陶瓷塊體的制備方法，其特征在于它包括以下步驟1)將BaTi2O5原料粉體放入行星式高能球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到BaTi2O5微粉；2)將BaTi2O5微粉置入石墨模具中，整體移入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空中以80～150℃/min的速率升溫至980～1100℃，保溫5～15min，并施加30～60MPa的軸向壓力，然后隨爐冷卻至室溫，獲得BaTi2O5燒結(jié)體；3)將BaTi2O5燒結(jié)體置入箱式電爐中，在空氣氣氛中，以2～10℃/min的速率升溫至800～1000℃，保溫12～24h，得到BaTi2O5陶瓷塊體。本發(fā)明中制備的BaTi2O5陶瓷塊體物相單一、尺寸大，而且在不摻雜任何燒結(jié)助劑的情況下，依然具有極高的致密度(＞95％)，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)C04B35/468GK102241508SQ201110081318
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 彭健, 李凌, 沈強(qiáng), 王傳彬 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)