韦婷婷, 徐华蕊, 朱归胜, 龙神峰, 张秀云, 赵昀云, 江旭鹏, 宋金杰, 郭宁杰, 龚祎鹏

无机材料学报 2022, 37 (8): 903-910. DOI:10.15541/jim20220115

摘要（507）

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近年来, 冷烧结低温制备陶瓷引起了很大关注, 并在BaTiO₃陶瓷的制备上取得了一定进展。为了提高冷烧结BaTiO₃陶瓷性能, 本研究采用水热法制备了分散性好、粒径为100 nm的四方相(晶格参数c/a为1.0085) BaTiO₃粉末。采用0.1 mol/L的乙酸在100 ℃/1 h的条件下对粉末进行水热活化处理。以质量分数10% Ba(OH)₂·8H₂O为熔剂, 在350 MPa、400 ℃/1 h的条件下对粉体进行冷烧结, 最后经600 ℃/0.5 h退火获得了相对密度为96.62%、晶粒尺寸为180 nm, 常温介电(ε_r)为2836, 介电损耗(tanδ)低至0.03的BaTiO₃陶瓷。乙酸处理后高活性粉末表面形成的非晶钛层有效促进了陶瓷的致密化, 抑制了杂相的生成和晶粒长大, 提高了介电性能, 大幅改善了冷烧结BaTiO₃陶瓷出现的介电弥散现象, 从而实现了BaTiO₃陶瓷的低温冷烧结制备。

图8为BaTiO₃冷烧结致密化过程示意图。烧结前期, 在单轴压力的作用下粉末在模具中发生重排, 随着温度升高, Ba(OH)₂·8H₂O在80~130 ℃温度区间逐渐失去7个结晶水, 形成高浓度的碱性环境。在这种环境中, BaTiO₃粉末表层发生溶解。随着温度继续上升, 水分从系统内部向外排出, 溶质离子随着水排出从高应力接触点向低应力接触点迁移, 然后在表面低应力点处发生沉淀重结晶, 同时伴随晶粒长大, 致使陶瓷发生致密化[30]。一般来说, 粉末颗粒的表面性质会强烈影响陶瓷的烧结行为。冷烧结工艺的致密化机理为“溶解-沉淀-重结晶”过程, 由于外部单轴压力的作用冷烧结过程中会发生粉末颗粒的重排, 经乙酸溶液处理后得到高活性的纳米粉体表面的非晶富钛层通过加速改性的BaTiO₃粉末颗粒的滑动, 促进了粉末重排, 减少了Ba(OH)₂·8H₂O的残留, 从而提高了陶瓷的烧结致密度并保证晶粒的均匀化生长。