專利名稱：一種二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵電陶瓷材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激 光合成方法。
背景技術(shù)：
鐵電陶瓷是指一大類具有鐵電特性的陶瓷材料，是應(yīng)用最廣泛的功能陶瓷材料。 其具有奇特的壓電、熱釋電、介電以及鐵電等特性，使其在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用 前景。但是，目前廣泛應(yīng)用的鐵電陶瓷主要為含鉛類材料，這類材料在使用以及制備的 過(guò)程中，很容易對(duì)人體健康和自然環(huán)境帶來(lái)危害。二鈦酸鋇(BaTi2O5)是一種近年來(lái)發(fā)現(xiàn) 的并得到重視的不含鉛的環(huán)境友好的鐵電陶瓷，其晶胞參數(shù)是a=1.691nm，b=0. 394nm, c=0.941nm, α = γ=90°，β =103. 1°，單斜晶。由于二鈦酸鋇是一種介穩(wěn)相，從其合成溫度 的冷卻過(guò)程中容易分解，常規(guī)的固相反應(yīng)燒結(jié)法難以制得高純度的BaTi2O5，并且其空間點(diǎn) 群為低對(duì)稱性的C2，導(dǎo)致其鐵電性只表現(xiàn)在其b軸方向上。因此，需要發(fā)明一種能夠制備出 具有b軸擇優(yōu)取向的高純度的BaTi2O5陶瓷的方法。目前能夠制備出具有b軸擇優(yōu)取向的BaTi2O5陶瓷的方法主要有電弧熔煉法 (Arc-melting)、急冷法(Rapid cooling)以及區(qū)熔法(Floating zone)，此類方法雖能夠制 得具有b軸擇優(yōu)取向的介電性能突出的單晶BaTi2O5陶瓷，但其橫截面面積較小，一般只有 微米級(jí)，這限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。研發(fā)出新的能夠獲得大尺寸的具有b軸擇優(yōu)取向的、純 度較高的多晶BaTi2O5陶瓷的方法，是BaTi2O5鐵電陶瓷的一個(gè)很重要的研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種二鈦酸鋇的激光合成方法，可以制備出高純度的、具 有b軸擇優(yōu)取向的、大尺寸的二鈦酸鋇鐵電陶瓷。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，以BaCO3和TiO2粉末為原料，兩者充分混合、 研磨、壓坯，之后用800-1000W的CO2激光束照射使物料充分反應(yīng)，然后將樣品于大氣氛圍 中退火處理，即可制得二鈦酸鋇鐵電陶瓷；所述BaCO3和TiO2的物質(zhì)的量比為1 :2。以原料重量為6-10g計(jì)，照射的時(shí)間為160-200S，優(yōu)選180s。照射時(shí)，將樣品置于純凈的鋼制樣品臺(tái)上，燒結(jié)過(guò)程中可以適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)激光束以 便樣品能夠充分反應(yīng)。較為具體的，采用功率為800-1000W、離焦量為120 mm的CO2激光束對(duì)坯體的兩個(gè) 面依次照射，先照射面的照射時(shí)間為50-70s，第二個(gè)面的照射時(shí)間為110-130S。進(jìn)一步，在研磨后還可以先進(jìn)行預(yù)燒，之后再壓坯?；旌?、研磨、預(yù)燒、壓坯以及退火的方法均為常規(guī)的陶瓷制備技術(shù)。如研磨可如下進(jìn)行在瑪瑙研缽中研磨1 h，150°C干燥2 h后再于瑪瑙研缽中研 磨2 h。
壓坯可參照如下進(jìn)行將充分混合的粉末在20 MPa壓力下壓坯，保壓60 S。坯體 直徑13 mm，厚度6-10 mm。預(yù)燒過(guò)程可如下進(jìn)行升溫速率為3°C/min，于900°C保溫12 h，空氣氛圍，隨爐冷卻。退火過(guò)程可如下進(jìn)行升溫速率為3°C/min，于1000°C退火24h，空氣氛圍，隨爐冷卻。該技術(shù)方案的原理是，在激光產(chǎn)生的高溫熔池中，使充分混合的原材料BaCO3和 TiO2粉末發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)
BaC03+2Ti O2=BaT i205+C02
在激光輻照產(chǎn)生的高溫熔池中，8冗03、1102粉末熔融，并且由于激光熔池的對(duì)流和傳質(zhì) 作用，BaC03、Ti02能夠充分混合均勻，在時(shí)間長(zhǎng)達(dá)160-200S的時(shí)間內(nèi)，上述反應(yīng)能夠充分進(jìn) 行，因此可得到高純度的BaTi2O515本發(fā)明方法的原材料為BaCO3和TiO2,成本低；采用大功率激光直接照射坯料，使 其迅速熔融并快速冷卻凝固生成BaTi2O5 ；制備的二鈦酸鋇陶瓷具有高取向的沿b軸擇優(yōu)取 向生長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)；制備的二鈦酸鋇純度很高、尺寸較大且結(jié)構(gòu)致密；工藝重復(fù)性好。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低、耗時(shí)短、能耗低；獲得的樣品具有高取向度的沿b軸擇優(yōu)取 向生長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)；獲得的樣品純度很高、尺寸較大(直徑2-3cm ；厚度0. 2-0. 5cm)且結(jié)構(gòu) 致密(不低于理論密度值的96. 6%)；工藝重復(fù)性好。


圖1為實(shí)施例1所得BaTi2O5的粉末XRD譜圖； 圖2為實(shí)施例1所得BaTi2O5的塊體XRD譜圖3為實(shí)施例1所得BaTi2O5的斷面SEM照片； 圖4為實(shí)施例1所得BaTi2O5的介溫譜曲線。
具體實(shí)施例方式以下以具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此 以下實(shí)施例中所用BaCO3和TiO2粉末的純度分別不低于99. 0%和99. 5%。實(shí)施例1
將BaCO3和TiO2粉末按1 2摩爾比混合，在瑪瑙研缽中研磨1 h，150°C干燥2 h后再 于瑪瑙研缽中研磨2 h，之后進(jìn)行預(yù)燒從室溫開(kāi)始，以3°C /min的升溫速率升溫至900°C 并保溫12 h，空氣氛圍，之后隨爐冷卻。將預(yù)燒后的粉末在20 MPa壓力下壓坯，保壓60s。 坯體直徑13 mm，厚度8 mm。將坯體置于水平的樣品臺(tái)上，用CO2激光束垂直照射樣品正面60s，之后關(guān)閉激光， 翻轉(zhuǎn)樣品，重復(fù)上述步驟，照射樣品反面120s。該過(guò)程中，激光器功率800 W，離焦量120 mm。關(guān)閉激光，樣品自然冷卻。將制備樣品進(jìn)行退火，獲得二鈦酸鋇鐵電陶瓷以升溫速率為 3°C/min升溫至1000°C保溫24 h，空氣氛圍，隨爐冷卻。將樣品研磨成粉末進(jìn)行粉末X射線 衍射，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1 ；沿平行于樣品試驗(yàn)與試驗(yàn)臺(tái)的接觸面打磨樣品，進(jìn)行塊體XRD衍射，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2 ；沿激光入射方向掰斷樣品，用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品斷面進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)試 結(jié)果見(jiàn)圖3 ；利用阿基米德排水法對(duì)樣品進(jìn)行密度測(cè)量；將打磨制得的雙面平行的樣品于 1000°C雙面鍍鉬漿電極，利用可控變溫爐和HP4294A阻抗分析儀進(jìn)行介溫譜測(cè)試，測(cè)試結(jié) 果見(jiàn)圖4。圖1為BaTi2O5的粉末XRD譜圖，與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片相比，可以表明本發(fā)明能夠制得 純度很高的BaTi2O515圖2為BaTi2O5的塊體XRD譜圖，(020)面的衍射峰得到極大的增強(qiáng)， 表明本發(fā)明所制得的BaTi2O5陶瓷具有沿b軸擇優(yōu)高取向度生長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)。圖3的SEM 照片顯示，制得的BaTi2O5的微觀組織為結(jié)構(gòu)致密的層片狀結(jié)構(gòu)，證明該方法制備的二鈦酸 鋇材料具有明顯的定向生長(zhǎng)的特性。密度測(cè)量值為5. 08/cm3，高達(dá)理論密度值(5. llg/cm3) 的99. 4% ；圖4為BaTi2O5的介溫譜，可以看出制得的BaTi2O5具有鐵電性能，其居里溫度Tc 在443 °C附近。實(shí)施例2
將BaCO3和TiO2粉末按1 2摩爾比混合，在瑪瑙研缽中研磨1 h，150°C干燥2 h后再 于瑪瑙研缽中研磨2 h。將充分混合的粉末在20 Mpa壓力下壓坯，保壓60s。坯體直徑13 mm,厚度 8 mm。將坯體置于樣品臺(tái)上，用CO2激光束直接照射樣品其中一個(gè)面60s，反面120s。該 過(guò)程中，激光器功率1000W，離焦量120 mm。關(guān)閉激光，樣品自然冷卻。將制備樣品進(jìn)行退 火、加工，進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試?？芍频妹芏戎禐?. 00 g/cm3 (理論密度值的97. 8%)、居里溫度Tc 在420°C附近、具有高取向度的沿b軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的純度很高的BaTi2O5陶瓷。
權(quán)利要求
一種二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，其特征在于，以BaCO3和TiO2粉末為原料，兩者充分混合、研磨、壓坯，之后用800 1000W的CO2激光束照射使物料充分反應(yīng)，然后將樣品于大氣氛圍中退火處理，即可制得二鈦酸鋇鐵電陶瓷；所述BaCO3和TiO2的物質(zhì)的量比為12。
2.如權(quán)利要求1所述的二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，其特征在于，以原料重量 為6-10g計(jì)，照射的時(shí)間為160-200S。
3.如權(quán)利要求2所述的二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，其特征在于，所述照射的 時(shí)間為180s。
4.如權(quán)利要求2所述的二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，其特征在于，采用功率為 800-1000W、離焦量為120 mm的CO2激光束對(duì)坯體的兩個(gè)面依次照射，先照射面的照射時(shí)間 為50-70s，第二個(gè)面的照射時(shí)間為110-130S。
5.如權(quán)利要求1所述的二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法，其特征在于，研磨后進(jìn)行 預(yù)燒，之后再壓坯。全文摘要
本發(fā)明屬于鐵電陶瓷材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二鈦酸鋇鐵電陶瓷的激光合成方法。以BaCO3和TiO2粉末為原料，兩者充分混合、研磨、壓坯，之后用800-1000W的CO2激光束照射使物料在短時(shí)間內(nèi)充分反應(yīng)并且熔融，制得二鈦酸鋇；所述BaCO3和TiO2的物質(zhì)的量的比為1∶2。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低、耗時(shí)短、能耗低；獲得的樣品具有高取向度的沿b軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)；獲得的樣品純度很高、尺寸較大且結(jié)構(gòu)致密；工藝重復(fù)性好。
文檔編號(hào)C04B35/468GK101967056SQ20101051067
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者張俊吉, 晁明舉, 李德川, 李明玉, 梁二軍 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)