钛酸钡陶瓷制备工艺的总结

钛酸钡陶瓷制备工艺的总结

李欣怿 张馨怡 金成阳 张宸纲 张柯

东北大学秦皇岛分校 河北 秦皇岛 066004

摘要：钛酸钡陶瓷作为一种应用广泛的电子陶瓷原料，因其具有较高的介电常数，良好的性能，在制作电容器介质材料和多种压电器件方面有着重要地位。本文总结了钛酸钡陶瓷制备工艺方法及优缺点，对未来钛酸钡陶瓷制备工艺进行了展望。

关键词：钛酸钡陶瓷、制备工艺、优缺点、展望

钛酸钡陶瓷是以钛酸钡或其固溶体为主晶相的陶瓷材料，是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷原料之一，由于其具有高的介电常数，良好的铁电、压电、耐压及绝缘性能，主要用于制作高电容电容器、多层基片、各种传感器、半导体材料等^[1]。钛酸钡陶瓷粉体是制备钛酸钡电子陶瓷的基础，制备工艺的不同，往往会影响钛酸钡的微观形貌以及组织结构，进而改变其介电性能、居里温度等性质，因此对钛酸钡陶瓷制备方法的总结十分必要。

近年来，随着科技发展，人们对钛酸钡电子陶瓷材料的要求逐步提升。为此，本文从钛酸钡陶瓷的制备工艺及其优缺点方面，对钛酸钡陶瓷当前的制备工艺进行了综述和展望。

1.钛酸钡陶瓷制备工艺

钛酸钡陶瓷的制备工艺，大致可分为固相法、液相法和气相法三大类，其中将溶胶-凝胶法单独拿出进行总结。

1.1.固相法

1.1.1.机械力化学法

机械化学合成法是将TiO₂和BaCO₃粉体经混合球磨，诱导合成BaTiO₃粉体，再经造粒压片、固相烧结等制得陶瓷样品的方法，近年来发展迅速。因其流程简单，合成粉体晶粒的尺寸小、分散较为均匀等优点，成为纳米粉末材料重要的制备方式，但长时间的机械处理，使得能量消耗大，研磨介质磨损易造成物料污染，从而影响产品纯度。

蒲永平等^[2]用球磨法合成BaTiO₃粉体时发现BaCO₃和TiO₂在球磨过程中会发生凝聚，且BaCO₃是导致凝聚的主要原因，不均匀性导致BaTiO₃介电性能恶化，且搅拌磨制得的BaTiO₃粉体介电性能比滚筒磨制得的更好。

1.1.2.固相反应法

固相法通常是粉末碳酸钡和二氧化钛为主要原料进行混合研磨，经煅烧发生固相反应合成BaTiO₃粉体，进而制得钛酸钡陶瓷材料。该方法工艺简单成熟，原料价廉易得，产量高，广泛使用于工业生产，是我国目前最常见、经济可行的制备方法，但杂质含量高，颗粒粒径大，均匀性差。

朱强等^[3]用固相法，将原料球磨得到浆料，再通过烘干、研磨、煅烧等步骤制备BaTiO₃陶瓷，以烧结升温速率为变量，发现升温速率为5 ℃/min时有最大介电常数3144，且随升温速率的增大四方相程度增强，而漏电流和压电系数则先减小后增大，且出现最低点

1.2.溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

溶胶-凝胶法通常将金属醇盐或无机盐按一定比例混合后溶于相应溶剂，制成溶液，通过化学反应得到均匀溶胶，再将其陈化、干燥转变为干凝胶，随后进行热处理，得到纳米粉体。该方法制备周期短，工艺简单，过程易于控制，对设备要求不高，能够使反应物均匀混合、充分反应，合成粒子粒径小，产物纯度高，前躯体活性较高，烧结温度较低。但前躯体的制备大都需要有机试剂，危害人体健康，且处理时间长，成本高。

谭宏斌等^[4]以钛酸四丁酯和醋酸钡为主要原料制前驱体溶胶，用玻璃棒拉制成纤维并煅烧冷却得BaTiO₃陶瓷纤维，且发现900 ℃煅烧1 h可以得到表面较光滑且大小直径均匀的陶瓷纤维

1.3.液相法

1.3.1.水热合成法

水热合成法是一种在密封高压釜中，以水为溶剂，在一定温度和蒸汽压力下，将用溶胶凝胶法类似的方法制备的溶胶通过溶解和重结晶制备材料的方法。该方法合成温度低、晶粒尺寸小、晶粒分布均匀、粉体团聚现象少、原料便宜、晶型好、形状可控、纯度高、过程简单，已被广泛使用。但粉体生产批量小，若要扩大产量，对设备的要求将显著提高，成本也显著上升。

宋元元^[5]通过研究水热法制备钛酸钡过程中温度、产物的洗涤循环次数等，发现在180℃下，烧结BaTiO₃粉体的四方畸变程度和粒径与洗涤循环次数有密切联系。

1.3.2.沉淀法

沉淀法是将原料通过一定条件，制备共沉淀混合物，再洗涤、干燥、焙烧得到钛酸钡粉体的方法，可分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。如柠檬酸盐共沉淀法易控制反应物化学计量比，前躯体活性较高，煅烧所需温度较低，但锻烧过程中容易团聚，且会有较大的质量损失^[6]。

陈杰等^[7]采用微波辅助草酸盐沉淀法合成钛酸钡粉体，通过对陶瓷体积密度进行计算，确定最佳温度为1270 ℃，通过比较晶粒尺寸与气孔数目，确定最佳时间为3 h。

1.4.气相法

1.4.1.物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积(PVD)是指采用物理方法将镀膜材料汽化，然后沉积在基体表面形成覆盖层的方法，在制膜方面具有明显的优势，且设备可靠、工艺简单、可大规模生产。

1.4.2.化学气相沉积(CVD)

化学气相沉积(CVD)是利用含有薄膜元素的一种或几种气相物质，在特定条件（加热、激光灯）下发生化学反应生成固态物质的方法。其广泛用于材料净化、新晶体研制、各种单晶、多晶的沉淀或玻璃态无机薄膜材料，尤其在薄膜制备上具有优越的特性^[8]。

曾建明^[9]等用常压金属有机化学气相沉积( APMOCVD)法在Si衬底上制备了高质量的钛酸钡铁电薄膜，并发现BaTiO ₃薄膜中很容易出现Ba₂TiO₄相。

2.总结与展望

目前，钛酸钡陶瓷的制备工艺渐趋于成熟，种类繁多各有优点，但存在一定的局限性：固相反应法和沉淀法虽经济可行，但产品杂质含量高，颗粒粒径粗，均匀性差；溶胶-凝胶法需大量长时间用到对人体有危害的有机试剂；机械力化学法和水热法，能耗大，设备需求高，成本高，无法大批量生产或扩大产量。

因此，钛酸钡陶瓷制备工艺需要更近一步的完善。如固相法中在众多型号中选择合适的球磨机，控制烧结升温速率，提高产品性能；溶胶-凝胶法中，寻找适合、廉价的无机盐原料，降低成本，同时解决安全问题；采用新工艺如两步烧结法使陶瓷材料的晶粒均匀、内部气孔缝隙更少等。希望能够不断与新技术相结合，进行完善。

参考文献

[1]苏毅,杨亚玲,李国斌.钛酸钡陶瓷粉体的合成技术[J].化工进展,2001(02):48-51.

[2]蒲永平,赵新,王瑾菲,陈小龙,庄永勇.球磨工艺对钛酸钡陶瓷介电性能的影响[J].中国陶瓷,2009,45(06):21-23.

[3]朱强,周恒为,张超,尹红梅.烧结升温速率对钛酸钡陶瓷压电性能的影响[J].人工晶体学报,2017,46(07):1333-1337.

[4]谭宏斌,马小玲.溶胶-凝胶法制备钛酸钡陶瓷纤维[J].压电与声光,2013,35(06):873-874.

[5]宋元元.合成法制备钛酸钡粉体影响变量分析[J].当代化工研究,2018(08):120-122.

[6]马丹.钛酸钡的制备及其粉体性能表征[D].东北大学,2015.

[7]陈杰,车明超.钛酸钡陶瓷制备及介电性能研究[J].人工晶体学报,2015,44(12):3628-3633.

[8]王立秋.钛酸盐粉体材料的制备研究[D].大连理工大学,2013.

[9]曾建明,王弘,王民,尚淑霞,王卓,程建功,林成鲁.钛酸钡铁电薄膜的常压MOCVD制备及其物理性质的研究[J].功能材料与器件学报,1997(02):41-47.

作者简介：李欣怿（2002-2）女；山东省泰安市；本科生；研究方向：材料类