陶瓷总结
2020-03-03 07:27:26 来源：范文大全收藏下载本文
CoFe2O4/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3磁电材料制备与性能研究
1实验材料及分析制备方法
1.1粉体的合成
1.1.1CoFe2O4粉体合成
采用本文采用溶液法制备尖晶石型的 CFO 粉体，以硝酸铁(Fe(NO3)3∙9H2O)和硝酸钴(Co(NO3)2∙6H2O)为原料，以乙二醇甲醚为溶剂。首先，按化学计量比称量一定量硝酸铁和硝酸钴，分别将它们溶解到乙二醇甲醚中，搅拌至完全溶解。然后将二者混合、搅拌并加热 10min，待溶液冷却至室温，再搅拌 1h，静置陈化 24h，使溶液充分的螯合、水解。放入 60℃烘箱，保温 24h。工艺如图所示。
溶液法合成CFO的工艺过程
1.1.2 BaTiO3 粉体的合成
本试验制备 BTO 采用溶胶-凝胶法，将钛酸四丁酯溶于正丁醇中，并搅拌。按化学式配比(nTi：nBa=1：1)称取醋酸钡在磁力搅拌作用下溶于冰醋酸和去离子水的混合液中，并加热促进醋酸钡的溶解。等醋酸钡的溶液冷却后，逐滴滴入到钛的醇溶液中，形成均
一、稳定的 BTO 溶胶。得的溶胶静置一段时间后，控制温度和湿度使溶胶的黏度逐渐增大，形成凝胶，再把凝胶放入 60℃烘箱中充分干燥，得到干凝胶，经研磨即可得到 BaTiO3 粉体。工艺流程如图所示。
溶胶凝胶法合成BTO的工艺流程
1.1.3 BTO/CFO 粉体的合成
利用溶液法合成的 CFO 粉体，并选择适当的煅烧温度(第三章介绍)。然后将 CFO 粉体分散到 BTO 的胶体中。采用机械搅拌并超声振荡的方式来使 CFO粉体均匀 BTO 胶体中。将混有 CFO 的 BTO 胶体放入 60℃的干燥箱中，48 小时后，胶体变成干凝胶，将干凝胶用研钵磨碎，得到 BTO/CFO 复合陶瓷粉体。工艺如图所示。
BTO/CFO 复合材料粉体合成的工艺流程
1.1.4 PMN-PT 粉体的合成
采用固相反应法经两步制备 67%PMN-33%PT 的粉体。首先将轻质 MgO 和Nb2O5 按化学计量比称量、湿混 1h，用烘箱烘干。在 1100℃煅烧 4h，使之合成MgNb2O6。其中 MgO 过量 2%。然后将制备出的 MgNb2O6，PbO 和 TiO2 按事先计算好的化学计量比称量，湿混 1h，在 900℃煅烧。其中 PbO 过量 3%，因为高温反应中有 PbO 的挥发。最终得到 PMN-PT 粉体。图为工艺流程图。
制备 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 粉体的工艺流程图
1.1.5 PMN-PT/CFO 和 PMN-PT/CFO@BTO 粉体的合成
选择溶液法制备的 CFO 粉体，在一定的温度煅烧，然后与上一步制备的PMN-PT 经过湿混 1h，干燥，得到 PMN-PT/CFO 粉体。
将 0.47gCFO 粉体分散到 0.5M 的 BaTiO3 溶胶中，超声 20min，机械搅拌30min，使 CFO 颗粒与 BTO 溶胶充分接触，然后利用磁场将 CFO 粉体与 BTO胶体分层，去掉溶胶清液，干燥得到的 CFO@BTO 粉体，对合成的 CFO@BTO粉体进行煅烧，使 CFO 表面的 BTO 晶化，然后与 PMN-PT 湿混 1h、干燥，得到 PMN-PT/CFO@BTO 粉体。
1.2陶瓷的制备
直径为Φ10，厚度为 1mm 的圆片
对压好的陶瓷圆片进行冷等静压成型手段，来比较与模压成型烧结带来的差别。
1.3材料的结构和形貌分析手段
1.3.1差热-热重分析(DTA-TG)分析
差热- 热重分析(DTA-TG) 是采用德国NETZSCH 公司生产的STA449C 进行测试的。其中DTA-TG为同步分析，样品装在氧化铝陶瓷坩埚，可通入的气体包括空气和氩气。流量为30mL/min，升温速率选择10℃/min，实验数据点在升温过程采集。
分别分析CFO 与 BTO 的差热 - 热重曲线，确定 CFO 粉体、BTO 粉体以及CFO/BTO复合材料粉体的煅烧温度。 1.3.2 X 射线衍射(XRD)分析
采用日本理学株式会社生产的 Rigaku-D/max-B 型(2200VPC)X 射线衍射仪对本实验 所有的材料物相进行分析。X射线中的靶材选择Cu-Kα(λ=0.15406nm) ，加速电压为 40kV，加载电流为 100mA。其中，扫描步长为0.02℃/min，扫描速度为 4°/min。本试验主要对合成的粉体与陶瓷片进行了物相分析。 1.3.3扫描电子显微镜(SEM) 仪器为美国 FEI 公司生产的场发射环境扫描电子显微镜 Quanta 200F，并利用附带的能量分散谱仪 (EDS) 得到材料的元素的组成及分布，操作电压为20KV。通过 SEM 的观察粉体颗粒的大小，以及陶瓷晶粒的大小及分布情况。
1.4材料的性能测试方法
1.4.1磁性能测试
采用动态样品磁性测量仪(VSM)研究铁磁性随磁场的变化下，磁化率的大小和磁滞回线，从而获得相关磁参数：矫顽力(Hc)、饱和磁化强度(Ms)、剩余磁化强度(Mr)。可以对粉体进行测试。
1.4.2铁电性能测试
采用美国 RT(Radiant Technology)公司制造的材料电性能综合参数测试仪 (型号为 PrecisionPremier II)对陶瓷样品进行电滞回线的测量。仪器主要作用是对样品表面进行极化，极化后的样品表面电极上的电荷发生变化，形成电流。这个电流将经过放大器的放大并积分后，可以还原样品表面的电荷量，而剩余极化强度(Pr)就是单位面积上的电荷量的大小。还可以得到矫顽力(Ec)和饱和极化强度(Ps)。电滞回线的测量参数为 Hysteresis Period 为 20。通过改变加载电压的大小，测试不同场强下，样品的电滞回线。 1.4.3介电性能测试
介电性能采用美国安捷伦(Agilent)公司的生产的 4294A 网路分析仪进行测试。样品直径为 9-10mm，样品厚度 1.00mm 左右，陶瓷双面采用银浆电极， 80℃干燥 30min，经过加热到 350℃保温 10 分钟处理，介电测试的频率范围是40Hz 到 100kHz。我们主要得到样品的介电常数和介电损耗数据。
2陶瓷粉体的制备与物相、形貌分析
2.1CoFe2O4粉体的制备与物相形貌分析
2.1.1 CFO粉体的制备
工艺：首先，将 0.004mol 的铁源和钴源分别溶解到 10ml 的乙二醇甲醚中，搅拌至完全溶解，得到了铁与钴的溶液前驱体。然后将两个溶液混合、搅拌并加热 10min。加热可以促进溶液中的硝酸铁、硝酸钴与乙二醇甲醚反应，然后等溶液冷却，再搅拌 1h，放在阴暗处静置陈化 24h，使溶液充分的螯合、反应。这样就得到了 0.2M 的混合 CFO 溶液。放入 60℃烘箱，烘干。24h 后，取出样品，研磨得到现在得到威煅烧的 CFO 的粉体。
确定 CFO 的煅烧结晶温度：对 CFO 粉体采用 TG/DTA 仪器进行测试。把粉末装进高温氧化铝坩埚中，以 10℃/min 的速率加热到 1000℃。对CFO 粉体的 TG/DTA 曲线变化进行分析，确定 CFO 的煅烧结晶温度。然后在烧结温度煅烧，将CFO进行晶化。 2.1.2CFO 粉体的物相与形貌分析
物相：观察不同煅烧温度的 CFO 的 XRD 图谱，分析随灼烧温度的升高，衍射峰的变化情况，晶化程度的变化。
形貌：观察三种煅烧温度下 CFO 的二次电子照片，分析晶粒大小变化的趋势。
2.2BaTiO3粉体的制备与物相形貌分析
2.2.1BTO粉体的制备 工艺：用正丁醇溶解钛酸四丁酯，乙酸钡则用冰乙酸进行溶解。当酸：醇：水=1：1：1 时，制备出了 1M 的稳定的 BTO 胶体。控制温度，可以控制 BTO 溶胶向凝胶转变。如果放在室温环境下静置，BTO 胶体在半个小时左右形成凝胶。如果利用磁力搅拌器持续的搅拌，BTO 胶体大约 1-2个小时形成凝胶。把凝胶放在 60℃的烘箱内，控干，24h 后，凝胶可以完全变为干凝胶。
确定BTO 粉体结晶的温度：把干凝胶研磨成粉末，取少量 BTO 粉末放入氧化铝坩埚中，以 10℃/min 的升温速率升到 1000℃，测量 BTO 粉体的 TG-DTA 曲线，得到 BTO 粉体结晶的温度。
2.2.2 BTO 胶体的物相形貌分析
物相：观察不同煅烧温度的 BTO粉体 的 XRD 图谱，分析随煅烧温度的升高，衍射峰的变化情况，晶化程度的变化。
形貌：观察不同煅烧温度下 BTO 的二次电子照片，分析晶粒大小变化的趋势。
2.3 BTO/CFO 的粉体制备、物相与形貌分析
2.3.1 BTO/CFO 的粉体制备
原因：由于磁电相 CFO 具有电阻低的缺点，所以当利用 CFO 合成磁电复合陶瓷粉体时，如果 CFO 颗粒之间相互聚合就会产生的高的漏电流现象，这会严重影响复合陶瓷的铁电性能以及磁电耦合性能。
措施：把 CFO粉体均匀的分散到 BTO 胶体中，以及试图利用 BTO 胶体对 CFO 的颗粒进行包覆。
把一定量的 CFO 粉体先加入到与 BTO 溶胶中溶液比例相同酸、醇和去离子水的混合溶液中。对 CFO 粉体进行超声分散 30min，尽量把 CFO 中团聚的颗粒都分散到溶液中，然后把已经分散好的 CFO 溶液缓慢加入到 BTO 的溶胶中，期间 BTO溶胶需要快速不停搅拌，因为只要往 BTO 胶体中加入含有水的溶液，就会促进Ti4+离子向 TiO2 的转化的。当 CFO 溶液与 BTO 胶体完全混合一起后，再用机械搅拌装置继续对新形成的溶胶快速搅拌，目的是使 CFO 的每个颗粒都能和BTO 胶体中的中的 Ba、Ti 络合物充分接触。随着搅拌时间的延长，胶体的粘度开始变大，这时，由于胶体的粘度变大了，所以 CFO 的颗粒受重力作用而向胶体下部沉积的趋势变小了，然后停止对 BTO 溶胶搅拌，把胶体放入 60℃的烘箱中干燥，大约 5 分钟后，溶胶完全凝固。在 60℃烘箱继续干燥，24h 后取出。将干凝胶用研钵磨碎，根据 2.2 中所确定的 BTO 煅烧温度，对粉体进行煅烧，使 BTO 晶化。 2.3.2 BTO/CFO物相形貌分析
2.4 PMN-PT 粉体的制备与物相分析
2.4.1PMN-PT 粉体的制备
采用两步法合成 PMN-PT 的粉体。首先将轻质 MgO 和 Nb2O5按化学计量比称量，然后湿混 1h， 烘干后在 1100℃烧结 4h。其中 MgO 过量 2%， 过量的 MgO 能弥补 MgO 的活性差，这能有效的抑制了焦绿石相的形成。MgO 与 Nb2O5的中间产物为 MgNb2O6。然后将 MgNb2O6， PbO 和 TiO2 按事先计算好的化学计量比称量，湿混 1h，在 900℃煅烧。其中PbO 过量 3%，过量的 PbO 也可以抑制焦绿石相的形成，并且高温时，氧化铅易于挥发，所以需要过量的 PbO 来弥补 PbO 挥发造成的损失。最终得到 PMN-PT粉体。 2.4.2 PMN-PT 粉体物相分析
2.5 CFO@BTO 的制备与物相分析
2.5.1 CFO@BTO 的制备
采用溶胶凝胶法制备 BTO 溶胶，然后把 CFO 粉体均与分散到 BTO 胶体中，采用浸渍法，让 CFO 粉体与 BTO 胶体充分接触，期间要不停的搅拌。调节酸醇水的比例，控制 BTO 胶体溶胶时间，使胶体在达到粘度比较大时，分离胶体与 CFO 粉体，这样尽量使 CFO 表面吸附一层比较薄的 BTO 粉体，然后对制备的 CFO@BTO 粉体，在 800℃进行煅烧，使 BTO 结晶化。
2.5.2 CFO@BTO 物相分析
3磁电复合陶瓷的组织结构与性能分析
3.1 PMN-PT 陶瓷的组织结构与性能分析
3.1.1 PMN-PT 陶瓷的物相与形貌
物相：XRD谱图及分析
形貌：为了观察 PMN-PT 陶瓷表面的形貌，对 PMN-PT 陶瓷进行热蚀处理。首先对 PMN-PT 陶瓷上下表面进行研磨，保证样品表面平整，然后在抛光机上对样品表面进行抛光处理，当样品表面形成镜面效果时，代表抛光完成。将抛光好的 PMN-PT 陶瓷放入高温空气炉内以 8℃/min 的速率加热到 1000℃，保温15min，迅速的把样品从炉子里拿出，在空气中快速降温，保证样片表面晶粒发生长大。观察PMN-PT 陶瓷表面的二次电子照片和背散射照片进行形貌分析。 3.1.2 PMN-PT 陶瓷的电性能 3.1.2.1 PMN-PT 陶瓷的铁电性能
首先对样品进行处理，将样品的上下两个表面进行研磨、抛光使样品两个表面尽量平整，在样品表面涂上导电银浆，放入 80℃的烘箱保温 30min，然后把样品以 8℃/min 是的速率加热到 350℃，保温 15min，出去导电银浆中所含有的有机物。分析不同场强下的 PMN-PT 陶瓷的电滞回线。
3.1.2.2 PMN-PT 铁电陶瓷的介电性能
测定PMN-PT 陶瓷的介电常数和介电损耗随频率的变化曲线，分析变化趋势。
3.2 BTO/CFO 磁电复合陶瓷的组织与性能分析 3.2.1BTO/CFO 磁电复合陶瓷陶瓷组织结构 3.2.2 BTO/CFO 磁电复合陶瓷粉体的磁性能
采用动态样品磁性测量仪，测试了粉体的磁性能的相关参数。分别测定不同 CFO 煅烧温度的 BTO/CFO 的粉体的磁滞回线，分析粉体的磁性能。 3.2.3 BTO/CFO 磁电复合陶瓷的铁电性能
采用电性能综合参数测试仪测试复合陶瓷样品的电滞回线。 3.3 PMN-PT/CFO 的组织结构与性能分析 3.3.1 PMN-PT/CFO 的组织结构
3.3.1.1烧结温度对 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷物相与形貌的影响 3.3.1.2不同组分配比的 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷物相 3.3.2 PMN-PT /CFO 的铁电性能
3.3.2.1场强对 PMN-PT/CFO 复合陶瓷的铁电性能的影响
3.3.2.2烧结温度对 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷的铁电性能的影响 3.3.2.3组分配比对 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷铁电性能的影响 3.3.3 PMN-PT /CFO 的介电性能
3.3.3.1组分比对 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷的介电性能的影响 3.3.3.2烧结温度对 PMN-PT/CFO 的复合陶瓷介电性能的影响 3.4 PMN-PT/CFO@BTO 的组织结构与性能测试
3.4.1不同烧结温度的 PMN-PT/CFO@BTO 的复合陶瓷物相与形貌 3.4.2 PMN-PT/CFO@BTO 的铁电测试
3.4.2.1不同场强对 PMN-PT/CFO@BTO 的复合陶瓷的铁电性能 3.4.2.2不同烧结温度的 PMN-PT/CFO@BTO 的复合陶瓷的铁电性能 3.4.3PMN-PT/CFO@BTO 的介电测试
人人范文网 m.inrrp.com.cn 手机版