PDF《Ultra-High Pressure Sintering》

而且,在压力辅助烧结中,由于降低成核的势垒 而使成核速率增加和由于扩散能力的降低而使生长速 率减小[1,6] .但由于超高压烧结过程中,样品处于还原 性气氛条件下,会产生氧空位,对材料的性能产生很 大的影响.本工作以 10nm 钛酸钡粉为研究对象,用 超高压烧结手段来获得致密的 30nm 钛酸钡陶瓷,并 对烧结过程中氧空位的产生以及对钛酸钡陶瓷铁电性 能的影响进行研究.

2 实验过程 为了得到致密的纳米钛酸钡陶瓷, 高纯的、 等化学 当量的分布均匀的

10 nm钛酸钡粉用化学方法合成[7] . 原始钛酸钡粉的形状和尺寸用透射电子显微镜观测 (Transmission electron microscopy, TEM).图1为它的 TEM 照片.从照片中可以看出:原始钛酸钡粉整体的 形状基本上为球形,通过计算可以得到它的晶粒尺寸 约为

10 nm.为了得到致密的纳米钛酸钡陶瓷,我们 采用超高压烧结的方法,即在室温下,10 nm 钛酸钡 粉在200 MPa压力下压成φ10 mm*(1~2) mm的坯体, 然后将压好的坯体用银箔包好以防止受污染.用BN 作传压介质,用石墨炉做传热介质,用焙烧过立方体 叶蜡石作传压介质样品架,把样品装入传压介质样品 架中,然后置入高压腔中.用XJ-3000 吨紧装式六 面顶压力机对样品再此加压,压缩时立方体六个面向 内缩小,样品的受力状态接近于等静压,压力为

6 GPa.烧结时,样品先加压到

6 GPa,然后在此压力 下加热到

1000 ℃,保温时间为

5 min.到达保温时间 后淬火降温再慢慢将压力降到大气压力下取出样品. 为了消除氧空位和残余应力,烧结的样品在氧气氛中

600 ℃ 保温

8 h.备用铁电性能测试用样品的

2 个表 面涂上银浆,加热到 500~600 ℃,保温 8~10 min, 去除有机溶剂即完成被银. 样品显微结构的观察和晶粒尺寸的确定采用扫描 电镜 (Scanning electron microscope,SEM);

密度的测 定根据阿基米德原理来进行;

介电性能的测试采用 HP4192A 阻抗分析仪;

电滞回线(P-E 曲线)的测试 采用 TF2000 axiACCT Analyzer FE 仪器;

测量电阻 样品的制备与测介电常数时样品的制备一样,测试采 用HP 4140B 仪器. Figure

1 TEM image of BaTiO3 powder 图1 钛酸钡纳米粉的TEM

3 结果与讨论 3.1 样品的微观结构 10nm 钛酸钡粉在压力为 6GPa、烧结温度为

1000 ?C、 保温时间为 5min 下烧结得到的烧结体在氧气氛中 退火后的新鲜断面的 SEM 如图

2 所示, 晶粒间基本上 没有空隙,比较致密,用线截距法计算得到晶粒大小 为30 nm 左右(在氧气氛中

600 ℃退火晶粒尺寸没有 明显的变化).经测试,样品的密度大于 96%.样品 的晶体结构用拉曼光谱和 XRD 结构精修得到为四方 相和正交相的共存[8] . Figure

2 SEM image of BaTiO3 ceramics fabricated by ul- tra-high pressure sintering 图2超高压辅助烧结得到的 BaTiO3 陶瓷的 SEM 3.2 样品的铁电性能 在氧气氛中退火前和退火后 30nm 钛酸钡陶瓷在 居里温度附近的介电常数和介电损耗分别如图 3(a)和(b)所示.当频率为 1kHz 时,在图 3(a)中,在温度为

120 o C 附近有一个宽的介电峰,介电常数为 3175;

在 所测的温度范围内,介电损耗都大于 1.1.退火后,在 温度为

120 o C 附近也有一个宽的介电峰,介电常数为 1920;

而且在所测的温度范围内, 介电损耗小于 0.15, 具体结果如图 3(b)所示.以上数据说明,退火后样品 的介电常数和损耗都降低.