CN101302100A - 激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料及方法，材料是由摩尔比为(1－x)∶x∶1的碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛组成的，其中x表示摩尔质量分数，0＜x＜1；将所用材料进行混合、球磨、塑化、造粒、压坯、排胶，再用CO2激光进行烧结，即制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。本发明所用材料价格便宜，激光烧结法耗能少，烧结时间极短，激光烧结制得的钛酸锶钡电子功能陶瓷具有晶粒细小、气孔率小、致密度高、可靠性高、安全、节电等优点。另外，钛酸锶钡是钛酸钡和钛酸锶完全的固溶体，其连续固溶性可使陶瓷的介电和光学性能在Ba/Sr物质的量比为0～1的范围连续调节；同时可以通过调整Ba/Sr的比例获得介电常数大、介电损耗小的电子功能陶瓷。

Description

激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料及方法
技术领域：
本发明涉及一种激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料及方法，属于电子功能陶瓷的制备技术领域。
背景技术：
钛酸锶钡是BaTiO3和SrTiO3完全的固溶体，其连续固溶性可使材料的介电和光学性能在Ba/Sr的量比范围内连续调节，这在电子元件的应用领域里具有非常重要的意义。目前，电子功能陶瓷的制备方法主要有固相烧结法和液相合成法，但这两种制备方法都存在着各自的缺点：固相烧结法产品难以达到分子级混合，物料活性低，能量消耗大，容易引进杂质，其纯度、均一性较差，烧结时间长，反应难以控制，得到的陶瓷元器件成品率低，耐压性能差，陶瓷晶粒较大，有气孔等缺陷；液相烧结法工艺流程长，易引起环境污染，粉体易团聚，原料价格昂贵，且需要较高的温度和较高的压力，设备投资大等，也限制了此法的应用。近年来，开始有人将激光技术应用于电子功能陶瓷的制备中，但目前国内主要采用窄带激光制备电子功能陶瓷，其缺点是烧结宽度窄，只有1～3mm，压坯在激光烧结过程中，由于温度梯度较大，极易开裂，致使压坯难以烧结成行。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料及方法，以克服传统的制备方法所存在的缺陷。
本发明是这样构成的：一种激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料，是由摩尔比为(1-x)∶x∶1的碳酸钡BaCO3、碳酸锶SrCO3和二氧化钛TiO2组成的，其中x表示摩尔质量分数，0＜x＜1。
所述碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛的纯度均为99％以上。
用上述材料采用激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法为：按摩尔比称取碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛，混合，烘干，用球磨机干磨3小时，然后加适量去离子水湿磨5小时，取出烘干，加粘结剂塑化、造粒，在25MPa压力下压坯，保压5min；生坯在80℃温度下干燥1小时，再在350℃温度下干燥4小时，随炉冷却；取出样品，用宽带CO2激光直接烧结，即制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。
CO2激光烧结过程中，宽带激光密度为0.25kW/cm2～0.35kW/cm2，采用双面烧结。
优选的激光烧结工艺参数为：宽带激光输出功率为450W，扫描速度为150mm/min，光斑面积为14×2mm2，离焦量为315mm。这些工艺参数是发明人在固定光斑面积(14×2mm2)和离焦量(315mm)的前提下，改变宽带激光输出功率和扫描速度，通过正交实验优化、筛选出来的最佳工艺参数。在此工艺条件下烧结出的陶瓷产品性能最好。
其中所用的粘结剂是浓度为5％的聚乙烯醇溶液；所述聚乙烯醇的聚合度为1750。
本发明的化学原理为：BaCO3、SrCO3和TiO2按比例混合、球磨、塑化、造粒、压片、经干燥除去水分和粘结剂后，在宽带CO2激光的作用下发生化学反应：(1-x)BaCO3+xSrCO3+TiO2→(Ba(1-x)，Srx)TiO3+CO2↑由于BaCO3、SrCO3和TiO2以(1-x)∶x∶1的摩尔比混合，可完全发生反应，反应后生成的CO2气体逸出，即得纯度较高的钛酸锶钡电子功能陶瓷。
本发明的技术创新点主要体现在以下几个方面：
1.同时采用BaCO3、SrCO3和TiO2为原材料，制得性能更为优越的钛酸锶钡电子功能陶瓷。由于钛酸锶钡是BaTiO3和SrTiO3完全的固溶体，其连续固溶性可使陶瓷的介电和光学性能在Ba/Sr物质的量比为0～1的范围连续调节；同时，BaTiO3和SrTiO3的居里温度不同，可以通过调整Ba/Sr的比例改变钛酸锶钡的居里温度，获得介电常数大、介电损耗小的电子功能陶瓷。
2.坯材的制备工艺：坯材的制备对激光烧结效果的影响较大，主要体现在：(1)压坯压力和保压时间：在适宜的压力下可使混合粉体结合得更加紧密，压力不够时，坯体内部就会存在一些微小气泡导致坯体易分层。当激光照射有缺陷的坯体时，坯体便在短时间内吸收大量能量，气泡急剧受热造成坯体内部发生***，坯体凝固后会在样品表面形成一些不规则的突起。(2)排胶和干燥工艺：当温度在350℃时进行排胶可使坯体内的聚乙烯醇(PVA)完全排出，如果低于此温度排胶会不完全，导致坯体有气泡，当激光照射排胶不完全的坯体时坯体内部易发生***，从而导致坯体表面不平、体开裂等现象。
3.采用宽带激光烧结：在宽带激光模式下，不仅增加了烧结带宽度，且由于激光束斑快速局部摆动使熔池表面温度的最高点快速变化，导致熔池中央区域温度梯度下降，裂纹敏感性降低，表观质量改善。同时，又可利用熔池边缘的温度梯度形成的表面张力场，起到搅拌熔体使元素均匀分布的作用。因此采用宽带激光烧结钛酸锶钡电子功能陶瓷，可得到组织致密、烧结宽度达15mm、表面平整的压坯。
与现有技术相比，本发明所用材料价格便宜，激光烧结法耗能少，烧结时间极短，激光烧结制得的钛酸锶钡电子功能陶瓷具有晶粒细小、气孔率小、致密度高、可靠性高、安全、节电等优点，主要用作敏感元器件、压电陶瓷、高压电容器陶瓷等方面。另外，(Ba1-x，Srx)TiO3是BaTiO3和SrTiO3完全的固溶体，其连续固溶性可使陶瓷的介电和光学性能在Ba/Sr物质的量比为0～1的范围连续调节；同时，BaTiO3和SrTiO3的居里温度不同，可以通过调整Ba/Sr的比例改变钛酸锶钡的居里温度，获得介电常数大、介电损耗小的电子功能陶瓷。
具体实施方式：
本发明的实施例1：所用材料：BaCO3、SrCO3、和TiO2(纯度均为99％以上)。
称取BaCO3、SrCO3和TiO2，按BaCO3∶SrCO3∶TiO2＝0.5∶0.5∶1的摩尔比混合，并进行烘干。烘干后将混合粉末用球磨机干磨3小时，然后加适量的去离子水湿磨5小时。取出烘干，加入聚合度为1750的5％聚乙烯醇溶液作为粘结剂进行塑化、造粒，在25MPa压力下压坯，保压5min。生坯在80℃温度下干燥1小时，再在350℃温度下干燥4小时，随炉冷却。取出样品，用宽带CO2激光进行双面烧结，烧结过程中，宽带激光输出功率为450W，扫描速度为150mm/min，光斑面积为14×2mm2，离焦量为315mm；即制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。
本发明的实施例2：所用材料：BaCO3、SrCO3、和TiO2(纯度均为99％以上)。
称取BaCO3、SrCO3和TiO2，按BaCO3∶SrCO3∶TiO2＝0.9∶0.1∶1的摩尔比混合，并进行烘干。烘干后将混合粉末用球磨机干磨3小时，然后加适量的去离子水湿磨5小时。取出烘干，加入5％聚乙烯醇溶液作为粘结剂进行塑化、造粒，在25MPa压力下压坯，保压5min。生坯在80℃温度下干燥1小时，再在350℃温度下干燥4小时，随炉冷却。取出样品，用宽带CO2激光直接烧结，烧结过程中，宽带激光输出功率为450W，扫描速度为150mm/min，光斑面积为14×2mm2，离焦量为315mm；即制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。
本发明的实施例3：称取BaCO3、SrCO3和TiO2，按BaCO3∶SrCO3∶TiO2＝0.05∶0.95∶1的摩尔比混合，其余操作同实施例2，制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。

Claims (7)

1.一种激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料，其特征在于：它是由摩尔比为(1-x)∶x∶1的碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛组成的，其中x表示摩尔质量分数，0＜x＜1。
2.按照权利要求1所述激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的材料，其特征在于：所述碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛的纯度均为99％以上。
3.用权利要求1或2所述材料采用激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法，其特征在于：按摩尔比称取碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛，混合，烘干，用球磨机干磨3小时，然后加适量去离子水湿磨5小时，取出烘干，加粘结剂塑化、造粒，在25MPa压力下压坯，保压5min；生坯在80℃温度下干燥1小时，再在350℃温度下干燥4小时，随炉冷却；取出样品，用宽带CO2激光直接烧结，即制得钛酸锶钡电子功能陶瓷。
4.按照权利要求3所述激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法，其特征在于：CO2激光烧结过程中，宽带激光密度为0.25kW/cm2～0.35kW/cm2，采用双面烧结。
5.按照权利要求3或4所述激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法，其特征在于：CO2激光烧结过程中，宽带激光输出功率为450W，扫描速度为150mm/min，光斑面积为14×2mm2，离焦量为315mm。
6.按照权利要求3所述激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法，其特征在于：所用的粘结剂是浓度为5％的聚乙烯醇溶液。
7.按照权利要求6所述激光制备钛酸锶钡电子功能陶瓷的方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的聚合度为1750。
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