织构化BaTiO3压电陶瓷材料的制备研究进展

BaTiO₃陶瓷作为一种无铅压电陶瓷有着广泛的应用前景,但常规方法制备的该类陶瓷压电性能通常不如铅基压电陶瓷。织构化是在不改变材料组分的前提下,提高压电陶瓷材料性能的重要手段。制备织构化的BaTiO₃压电陶瓷来取代铅基压电陶瓷,成为该领域近些年的研究热点之一。本文总结了BaTiO₃基压电陶瓷织构化制备技术的进展,其中除一些常见的制备技术外,还有近几年重新发展起来的电泳辅助技术以及新发展起来的电泳与强磁场辅助技术,主要介绍了这些制备技术制备织构化的BaTiO₃陶瓷的优劣,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

纳米BiVO4/BaTiO3复合材料光催化降解性能

通过混合烧结法将BiVO₄与BaTiO₃复合获得BiVO₄/BaTiO₃复合光催化剂。采用XRD和FTIR分析了产物的物相,可知,BiVO₄/BaTiO₃复合材料中仅含有BiVO₄和BaTiO₃,无杂相生成。TEM观察发现,粒径约为55 nm的纳米BaTiO₃颗粒较好地附着在平均颗粒尺寸为~400 nm的BiVO₄颗粒表面,形成异质结构。选用酸性橙7（AO7）作为反应物模型,以模拟太阳光作为光源,研究了BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化降解性能。结果表明:与BaTiO₃相比,BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化降解活性显著提高;当BiVO₄的含量为8wt%时,BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化效果最佳,光照6 h染料的降解率可达~68%,为BaTiO₃的1.9倍。BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化性能较为稳定,循环使用3次后AO7的降解率仍有~62%。催化机制分析说明,BaTiO₃与BiVO₄复合后,光生电子和空穴能够向对方迁移,促进了光生电荷的分离,有利于光催化效率的提高。      

原料预处理对BaTiO3压电陶瓷的物性影响

BaCO₃微粉原料通常由尺寸较大的棒状颗粒所组成, 这些棒状颗粒在一次球磨过程中由于不容易粉碎, 从而对经预烧、二次球磨所得到的BaTiO₃陶瓷微粉的化学组分的均匀性和颗粒度产生影响, 进而影响后序烧结制备的BaTiO₃陶瓷的微观组织结构和压电性能。本研究重点探讨了以BaCO₃和TiO₂为原料、通过固相反应途径制备BaTiO₃陶瓷时, 实施原料预处理对所制备的BaTiO₃压电陶瓷物性的影响。研究发现, 配料前对BaCO₃原料实施球磨预处理可明显地降低棒状颗粒的尺寸, 从而可获得颗粒度细化的BaTiO₃陶瓷微粉, 进而制备致密度更高和晶粒尺寸更小而压电性能更高的BaTiO₃陶瓷材料。研究中对BaCO₃微粉进行不同时间的球磨预处理, 然后制备钛酸钡陶瓷, 考察了其压电性能、介电性质、铁电性能和微观结构等物理性质。利用同样的BaCO₃微粉原料, 未经球磨预处理所制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值为410 pC/N, 而实施合适的球磨预处理制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值可达470 pC/N。     

异质结型BaTiO3/TiO2复合纳米纤维的制备及光催化性能

以静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维为模板和反应物, 采用水热法原位合成了具有异质结构的BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM) 和高分辨透射电镜(HRTEM)等分析测试手段对样品的结构和形貌进行表征。结果表明: BaTiO₃纳米微粒均匀地生长在TiO₂纳米纤维表面, 制备了异质结型BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维。材料的光催化性能利用罗丹明B和苯酚的脱色降解反应测试。BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维材料, 在紫外光照射下, 光催化降解活性较纯锐钛矿TiO₂纳米纤维有明显提高, 罗丹明B和苯酚在该复合纳米纤维材料上的光催化降解反应遵循一级反应动力学。且易于分离、回收和再利用, 循环使用5次, 罗丹明B的脱色率仍保持在96%以上。     

晶粒尺寸对细晶钛酸钡陶瓷介电、压电和铁电性能的影响

以采用水热法制备的BaTiO₃粉体作为原料, 利用普通烧结法和两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.25~10.15 μm的BaTiO₃陶瓷, 研究了晶粒尺寸效应对BaTiO₃陶瓷的介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明: BaTiO₃陶瓷的四方相含量随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加; 当晶粒尺寸在1 μm以上时, 室温相对介电常数(ε° )和压电系数(d₃₃)随着晶粒尺寸的减小而增大, 并在晶粒尺寸为1.12 μm时分别达到最大值5628和279 pC/N, 然后两者随着晶粒尺寸的进一步减小而迅速下降。BaTiO₃陶瓷的剩余极化强度P_r随晶粒尺寸的增大而提高, 而矫顽场E_c却呈现出相反的趋势。晶粒尺寸对介电性能和压电性能的影响是由于90°电畴尺寸和晶界数量的变化。晶粒的晶体场和晶粒表面钉扎作用的变化影响了电畴, 进而改变电滞回线。     

Tb1-xDyxFe2-y-BaTi0.99Mn0.01O3+δ层状复合材料的低频磁电耦合

利用弹性力学模型,推导了低频下磁致伸缩-压电双层复合材料中磁电电压系数的表达式,计算了Tb_1-x Dy_x-Fe_2-y-BaTiO₃层状复合材料中的横向磁电耦合。采用溶胶-凝胶法制备1.0%（摩尔分数）Mn掺杂BaTiO₃（BaTi_0.99Mn_0.01O_3+δ）压电陶瓷片。将Mn掺杂BaTiO₃与Tb_1-xDy_xFe_2-y 胶合制成双层和三层复合材料,研究了复合材料在低频下的横向磁电效应。XRD和DSC分析结果表明,室温下Mn掺杂BaTiO₃保持了其四方钙钛矿结构,降低了BaTiO₃的居里点和相变潜热。在约33 kA/m偏置磁场下,Tb_1-xDy_xFe_2-y-BaTi_0.99Mn_0.01O_3+δ 和Tb_1-xDy_xFe_2-y-BaTi_0.99Mn_0.01O_3+δ-Tb_1-xDy_xFe_2-y 的横向磁电耦合峰值分别为529.4 mV/A和1659.5 mV/A,分别是Tb_1-xDy_xFe_2-y-BaTiO₃和Tb_1-xDy_xFe_2-y-BaTiO₃-Tb_1-xDy_xFe_2-y 的1.48和1.45倍。三层复合材料的横向磁电电压系数约是同类双层的3倍多。     

合成工艺对固相法制备高四方性纯钛酸钡粉体的影响

钛酸钡是一种重要的功能陶瓷材料,因具有优异的电学性能而被广泛应用于多层陶瓷电容器(MLCC)等电子元器件。本研究以碳酸钡和二氧化钛为原料,采用固相法制备形貌均匀且四方性高的BaTiO₃粉体,系统研究了合成工艺(合成温度、升温速率和保温时间)对BaTiO₃粉体的影响。通过TG/DTA、XRD和SEM等测试手段对BaTiO₃粉体进行表征,结果表明：合成温度主要影响BaTiO₃粉体的四方性,保温时间和升温速率主要影响BaTiO₃粉体的粒径和粒度分布;原材料经过90 r/min球磨24 h后,在合成温度1050℃、升温速率5℃/min和保温时间3 h的条件下,制备了平均粒径为400 nm、四方性(c/a)为1.009 1的形貌均匀的BaTiO₃粉体。本工作为固相法制备高可靠性MLCC用纯BaTiO₃粉体提供了良好的研究思路。     

Gelatin/BaTiO3核壳复合粒子的制备及电场响应性能研究

以平均粒径为0.7~0.9 mm的明胶(Gelatin)微球为基核, 通过定向沉积自组装法成功制备了以Gelatin为核、BaTiO₃为壳的Gelatin/BaTiO₃核壳复合粒子。利用TEM、XRD、FT-IR、TG和光学接触角测量等技术对复合粒子的形貌、结构、组成及表面亲水性能进行了研究。结果表明, 复合粒子为球形微粒, 具有良好的表面亲水性和分散稳定性, BaTiO₃壳层约占粒子总质量的18.8%, 具有立方相晶相结构。将粒子分散到水凝胶弹性体中, 测量在有/无电场作用下得到的弹性体的储能模量, 借以考察复合粒子在弹性体中的电场响应性能, 发现Gelatin/BaTiO₃复合粒子的电场响应性能明显强于纯BaTiO₃粒子。说明将BaTiO₃包覆在聚合物上能显著提高BaTiO₃粒子的电场响应性能。     

0.94Na1/2Bi1/2TiO3-0.06BaTiO3:TiO2无铅复合陶瓷的结构及退极化温度研究

采用固相法将纳米TiO₂引入0.94Na_1/2Bi_1/2TiO₃-0.06BaTiO₃ (简称NBT-6BT)钙钛矿结构压电陶瓷晶界中, 成功制备出NBT-6BT: xTiO₂ (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) 0-3型复合结构陶瓷, 并系统地研究了掺杂TiO₂对陶瓷的结构及压电性能的影响。实验结果表明, 部分TiO₂进入晶格内部造成陶瓷单斜相Cc含量减少, 晶体对称性提高; 随着TiO₂的掺杂量的增加, 明显提高了NBT-6BT陶瓷的退极化温度。对NBT-6BT:0.1TiO₂样品, 在保持一定压电常数(69 pC/N)的前提下, 陶瓷的退极化温度相比纯NBT-6BT提升约88%, 此时介电损耗tanδ=0.044, 表明该材料是一种适用于更高温区间的新型无铅压电材料。     

铁酸铋基异质结光催化剂降解有机污染物的研究进展

铁酸铋(BiFeO₃)作为一种典型的窄带隙铁电半导体,其自身的退极化场可以抑制光生电子空穴对的复合,已被广泛应用于光催化领域。通过构建异质结,借助界面电场对电子-空穴对进行有效分离是一种提升光催化剂降解性能的重要策略。综述了BiFeO₃基Ⅱ型异质结、Z型异质结、肖特基结和S型异质结光催化剂的构建原理,重点介绍了在BiFeO₃基异质结光催化剂在降解有机污染物方面的应用及其光催化反应机制,最后对BiFeO₃基异质结光催化剂研究的不足和未来的发展方向进行了展望。     

BaTiO3陶瓷的低温冷烧结制备及性能研究

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。     

Domain size dependence of d33 piezoelectric properties for barium titanate single crystals with engineered domain configurations

Engineered domain configuration was induced into barium titanate (BaTiO₃) single crystals, and the d₃₃ piezoelectricity was investigated as a function of domain size. First, for the BaTiO₃ single-domain crystals, piezoelectric constant d₃₃ along [1 1 1]_c direction was calculated as 224 pC/N. Prior to the domain engineering, the dependence of domain configuration on the temperature and the electric-field was investigated, and above Curie temperature (T_c), when the electric-field over 6 kV/cm was applied along [1 1 1]_c direction, the fine engineered domain configuration appeared. On the basis of the above information, the 33 resonators with different domain sizes were successfully prepared. Their piezoelectric measurement revealed that the d₃₃ of the 33 resonators with fine engineered domain configurations was higher than that of BaTiO₃ single-domain crystals. Moreover, d₃₃ increased with decreasing domain sizes. The highest d₃₃ of 289 pC/N was obtained in the BaTiO₃ crystal with a domain size of 13 μm.     

Dielectric spectroscopy of Nano BaTiO/sub 3/ confined in MCM-41 mesoporous molecular sieve materials

Dielectric properties of barium titanate (BaTiO₃) particles, synthesized directly in the pores of MCM-41 materials, have been investigated in the frequency range from 20 Hz to 1 MHz for temperature intervals from 100 K to 500 K. The dielectric spectra of BaTiO₃ confined in these molecular sieves were compared with the results obtained from the investigation of pure MCM-41 materials. Obtained results confirmed successful incorporation of BaTiO₃ into porous matrix, but no phase transition from paraelectric to ferroelectric phase was observed due to the particle size being smaller than the critical size. Also, the overall dielectric response of investigated materials is strongly influenced by adsorbed water molecules     

BaTiO3纳米线的制备及其复合物介电和储能性能研究

采用两步水热法合成钛酸钡(BaTiO₃)纳米线, 并以此为填充物, 聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))为聚合物基体制备介电复合物, 研究不同含量BaTiO₃纳米线对复合物的介电及储能性能的影响。采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、阻抗分析仪和铁电工作站等表征BaTiO₃纳米线及其复合物的物相、微观结构、介电和储能性能。结果表明: BaTiO₃纳米线具有典型的四方相, 且在聚合物基体中具有良好的分散性与相容性。相同频率下, 复合物的介电常数随着BaTiO₃纳米线含量的增加而增加。含量为20vol%的复合物, 在1 kHz频率下其介电常数取得最 大值30.69。含量为5vol%的复合物, 在场强为240 kV/mm时, 获得了最大的储能密度与放电能量密度, 分别为4.89和2.58 J/cm³。     

Bi过量以及冷却方式对BiFeO3-BaTiO3陶瓷的相结构及电学性能的影响

采用传统固相烧结法制备了0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃-xBi₂O₃(0≤x≤0.05)无铅压电陶瓷, 研究了Bi补偿量x和冷却方式对其相结构、微观形貌和综合电学性能的影响。结果表明：所有样品均为菱方相(R)和伪立方相(PC)两相共存, 0≤x≤0.01样品为纯的钙钛矿结构, 且x=0.01样品的两相比例C_R/C_PC接近1; x>0.01样品中出现富Bi杂相Bi₂₅FeO₄₀。与冷却方式相比, 优化Bi补偿量更有利于提升BFBT-xBi₂O₃陶瓷的压电性能。随着x增大, d₃₃先增大后减小, 在x=0.01时获得最优值。由于较小的晶粒、较合适的C_R/C_PC以及较大的残余应变, 水冷BFBT-0.01Bi₂O₃陶瓷获得了最优的压电性能(d_33水冷=141 pC/N、k_p=27%)和高T_C=507℃。研究结果表明, BFBT基陶瓷有希望成为兼具高压电性能和高T_C的无铅压电材料体系之一。