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从原材料到制备烧结,介电陶瓷材料是如何变身的?

作者:粉体网 更新时间:2020-05-07 08:33 来源:粉体网 点击数:583

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介电陶瓷又称电介质陶瓷,是在电场下具有极化能力,且能在体内长期建立起电场的功能陶瓷。陶瓷介质元器件向微型化、低能耗、高可靠、高稳定方向发展,生产高性能的介电陶瓷材料离不开其粉体的制备与烧结工艺。

原材料

原材料是介电陶瓷材料的前提和基础,满足产品特性要求是原材料选择的首要因素,性价比高是产业化追逐的首要目标,介电陶瓷材料使用的原材料主要包含:Ba,Sr,Ca,Ti,Zr,Pb和稀土等元素的碳酸盐、氧化物、氢氧化物等。

我国 Ba,Ti 和稀土等矿产资源储量丰富,原材料生产厂家众多,但深加工产品少,某些超细、高纯、高分散原材料还不能充分满足使用需求。另外,粉体材料生产所需相关添加剂产品如分散剂、脱模剂、胶水等,对介电陶瓷材料的性能也有显著影响,国内相关的系统配套研究相对缺乏,还有很大提升空间。


介电陶瓷粉体的制备

目前介电陶瓷粉体合成工艺主要有固相法、水热法、沉淀法、溶胶凝胶法、熔盐法等。

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溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是以金属有机或无机化合物溶液为原料,经水解、缩合反应生成的溶液中显示分散流动性的亚微米级超微粒溶胶,再将其与超微粒结合,形成外表层固化凝胶,再经过热处理而制成氧化物或其它化合物固体的方法。20世纪80年代以来,溶胶凝胶技术在玻璃、微晶玻璃、纳米材料、氧化涂层和功能陶瓷粉料,尤其是在传统方法难以制备的复合氧化物材料的合成上取得了成功地应用,已成为无机材料合成中的一种独特的方法。


水热法

水热法是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在温度100℃~400℃,压力从大于0.1MPa直至几十到几百兆帕的条件下,使前驱物(即原料)反应和结晶。即提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境,使前驱物在反应系统中得到充分的溶解-形成原子或分子生长基元-成核结晶。水热法制备出的纳米晶,晶粒发育完整,粒度分布均匀、颗粒之间少团聚,原料较便宜,可以得到理想的化学计量组成材料,颗粒度可以控制,生产成本低。用水热法制备的陶瓷粉体无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。


熔盐法

人们早期使用熔盐法主要用于生长晶体。其主要原理是:将晶体的原成分在高温下溶解于低熔点助熔剂的溶液内,形成均匀的饱和溶液,然后通过缓慢降温或其它方法,形成过饱和溶液,从而使晶体析出。熔盐法与其它合成方法相比,操作方法简单,不需要其它专用设备。


介电陶瓷的烧结

陶瓷材料的烧结是陶瓷生坯在高温下固体颗粒相互键联,晶粒长大,孔隙(气孔)和晶界渐趋减少,通过物质的传递,其总体积收缩,密度增加,最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体的过程。正确的选择烧结方法是使介电陶瓷具有理想结构和预定性能的关键。


常压烧结

常压烧结又称无压烧结,是在大气压条件下坯体自由烧结的过程。在无外加压力下,材料开始烧结,温度一般达到材料熔点的50~80%即可。在此温度下固相烧结能够引起足够的原子扩散,液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散或粘滞流动的发生。常压烧结是目前介电陶瓷制备工艺中使用的最为广泛的一种方法,与其他方法相比,该法设备简单、生产成本较低,是最普通的烧结方法。该法还可与其他手段相结合产生低温烧结技术,如添加低熔点氧化物或玻璃在较低的温度下生成液相,从而促进烧结;使用易于烧结的超细粉料,降低烧结温度,缩短烧结时间等。


气氛烧结

是在炉膛内通入一定气体,形成所要求的气氛保护,在此气氛下进行烧结。如铅基压电陶瓷成分中含有在高温下易发挥成分的铅,在密闭烧结时,为抑制低熔点物质的挥发,常在密闭容器中放入一定的与瓷料组成相近的坯体即气氛片,也可使用与瓷料组成相近的粉料。其目的是形成较容易挥发成分的分压,以保证材料组成的稳定,达到预期的性能。


微波烧结

利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量,材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。由于材料可内外均匀地整体吸收微波能并被加热,使得处于微波场中的被烧结物内部的热梯度和热流方向与常规烧结时完全不同,具有加热速度快、均匀加热等优点。更重要的是快速烧结可使材料内部形成均匀的细晶结构和较高的致密性,从而改善材料性能。


其他烧结方法

随着科学的不断发展,许多新的烧结方法被应用到介电陶瓷的制备当中来,如热压烧结、热等静压烧结、真空烧结、等离子烧结、电场烧结、活化热压烧结等。如铌酸锂陶瓷在其烧结温度下对坯体的两端施加直流电场进行电场烧结,待冷却到居里点一下撤去电场,即可得到有压电性的陶瓷样品。利用氢氧化物和氧化物的分解反应进行活化热压制成钛酸钡、锆钛酸铅、铁氧体等电子陶瓷,利用碳酸盐分解反应制成高密度的氧化铍、氧化钍和氧化铀陶瓷;利用某些材料相变时热压,可以制成高密度的氧化铝陶瓷。