合成方法的影响和前体制备钛酸钡纳米粒子

文摘

不同的合成路线和不同前体可以开始对材料的特性有不同的影响。在本文中,两个不同的方法:固态法、溶胶-凝胶法被用来准备钛酸钡粉体。尾巴,Ba (OH) 2.8 h2o和[CH3COO] 2英航是用作钡前体和二氧化钛,Ti (OCH (CH3) 2) 4)钛前体。借助热重分析(TGA), x射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)、粉末特征比较。结果表明,溶胶-凝胶法推导出粉末固体粉末相比有较大的晶粒生长无论开始的前兆。同样明显的是,介电常数的值是一个函数的晶粒尺寸。另一个重要发现是开始前体也起着非常重要的作用尤其是粒度和介电常数的值。的氢氧化钡octahydrate前兆比醋酸钡前兆显示更好的结果。

关键字

TGA、XRD、SEM、醋酸钡、氢氧化钡、钛四异丙醇盐。

介绍

钛酸钡是第一个铁电陶瓷,表现出室温以上铁电性质,即居里温度。因为它具有高介电常数和低介电损耗,它是用作电容器和多层陶瓷电容器1- - - - - -4]。钛酸钡是一种化学和机械稳定的钙钛矿,和一般钙钛矿原始立方晶体结构。但BaTiO₃可以存在于五个阶段在不同的温度、清单从较高温度降低温度:六角,立方,正方,斜方晶系的,菱形的晶体结构。尽管BaTiO₃可以使用各种合成方法,这些方法的结构和性能有很大的影响最终BaTiO吗₃粉。BaTiO的常用合成方法₃是:固态反应法、机械化学合成法、湿化学方法,低温水合成(节目),低温直接合成(有限公司),燃烧合成、solvothermal合成、草酸路线,微波加热、微乳化过程和不同的化学路线。湿化学方法包括溶胶-凝胶过程中,水热过程中,共沉淀法和polymetric前体的方法(5- - - - - -10]。每种方法都有自己的优点和缺点。

在这里,我们使用两种方法合成BaTiO₃他们是固态反应法和溶胶-凝胶法的过程。固态反应法是一种简单的方法制备BaTiO₃它有更高的效率和更低的成本。在溶胶-凝胶法的化学前体转化为凝胶的溶胶,然后在干燥和烧结使非晶态氧化物。Solgel也需要高温烧结,如固态法,否则有可能为氢氧化物的存在。反应参数,如反应时间和反应温度可以为了得到不同的优化反应介质的最高价值11]。不仅合成方法和反应参数,而且开始的前兆在产品的质量有重要作用(12]。因此,我们试图合成BaTiO₃从不同的试剂。样品然后特征使用XRD, SEM, TGA-DTA,电介质的研究来优化和频率依赖的原始材料和方法的准备。

实验工作

合成了钛酸钡使用三个不同的来源和钡两种钛源。两种方法被用于合成的钛酸钡:固态反应法和溶胶-凝胶法的过程。

固态过程((电子邮件保护))

钛酸钡粉与碳酸钡合成(纯度99%),二氧化钛(纯度99.9%)。的BaCO₃和TiO₂在1:1的比例混合。克分子数相等的干BaCO₃和TiO₂粉重量准确,混合在一个玛瑙研钵和杵在丙酮介质2 h。粉混合物干和保持在60°C。在900°C样品焙烧3 h的加热和冷却率3°C /分钟。煅烧粉在研杵磨细粉。BaTiO的化学反应₃通过加热BaCO形成₃和TiO₂粉混合物:BaCO₃+ TiO₂→BaTiO₃+有限公司₂。BaTiO制备的流程图₃使用固态方法给出图1。

溶胶-凝胶过程((电子邮件保护))

BaTiO₃粉末合成是通过使用醋酸钡(化学公式:[CH3首席运营官)₂Ba)、TITP(化学式(Ti: [OCH [CH₃]₂]₄]])作为前体。醋酸(CH₃羧基)用作溶剂和2-methoxy乙醇用于稳定钛异丙醇(1 V)。醋酸钡(8.5 g)是溶解在乙酸(35毫升)连续磁搅拌半个小时60°C。解决方案是在110°C回流2 h。钛异丙醇(IV)(0.11摩尔)溶解在乙醇(C₂H₆O)和2-methoxy乙醇添加到在室温下它形成一个独立的解决方案。英航的解决方案是添加一滴一滴地,Ti的解决方案和解决方案的pH值保持在8 - 9通过添加缓冲KOH代理。醋酸钡和TITP添加在1:1的比例。再次回流混合物导致厚厚的白色凝胶的形成。

蒸馏水添加到凝胶和溶液混合,搅拌热板电磁搅拌器。然后过滤解决方案,并使用热蒸馏水和丙酮洗。它保存在烤箱加热到200°C 2 h。然后煅烧粉在900°C的马弗炉加热和冷却3°C /分钟。煅烧粉在研杵磨细粉。制备的流程图BT通过溶胶-凝胶方法使用醋酸钡和TITP给出图2。BaTiO的化学反应₃形成如下:

BaCO₃+ TiO₂→BaTiO₃+有限公司₂。

2 ba (CH₃首席运营官)₂保= 2 + 4有限公司₂+ 6水

包+有限公司₂= BaCO₃

(C₃H7O)₄Ti→TiO + 2 c₃H₆c + 2₃H₇哦

xBaCO₃+ TiO₂→BaTiO₃+有限公司₂。

溶胶-凝胶过程((电子邮件保护))

的BaTiO₃粉末合成用氢氧化钡octahydrate (Ba(哦)₂.8H₂O)和TITP (Ti (OCH (CH3) 2) 4]])作为前体。在合成过程中,英航的水溶液(哦)₂.8H₂O是由溶解6.891 g的Ba(哦)₂.8H₂O在水中(64毫升)。同时TITP(5.9373毫升)是在一个锥形瓶。然后14毫升乙醇(C₂H₆O)作为反应溶剂。2-Methoxy乙醇(2滴)添加到稳定TITP。水钡溶液添加下降智慧在连续搅拌下钛的解决方案。体重量的氢氧化钠(48 g)是溶解在100毫升蒸馏水准备12 N碱性溶液。12 N氢氧化钠溶液添加到维护酸碱反应的= 8 - 9。在反应混合物与高速连续搅拌,避免结块并准备齐次解。完成后添加试剂在反应所需的温度量增加到40°C到100°C。反应进行了80分钟。经过12 h (BaTiO老化₃暂停使用热过滤和清洗蒸馏水和丙酮去除碳酸钡,保持48 h。然后在900°C的马弗炉焙烧加热和冷却3°C /分钟。煅烧粉是在研杵获得细粉。制备的流程图BT通过溶胶-凝胶方法使用氢氧化钡octahydrate TITP中给出图3。反应的化学方程式是:

15巴(哦)₂+ Ti (OCH (CH₃)₂)₄+ C₂H₆O + 21 o2→BaTiO₃+ 14 baco₃+ 32 h₂O

描述

煅烧粉的晶体结构研究了x射线粉末衍射仪使用CuKα(λ= 1.5406)辐射范围广泛的布拉格角2θ(15°≤2θ≤70°)的扫描步骤0.0198691。水晶大小是衡量使用谢勒从x射线衍射模式方程τ= Kλ/βcos(θ),τ粒子的平均尺寸,K是一个无量纲的形状因子的典型值约为0.9,λ是CuKα辐射的波长(λ= 0.15406海里),β是谱线增宽的一半的最大强度和θ是布拉格角的度。球团矿的粉BaTiO样品₃准备通过添加聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂。粘结剂(PVA)是由溶解PVA的1.2 g 100毫升水,使它变成10毫升的沸腾。添加绑定到准备粉末样品之后单向地压制成圆柱颗粒的直径12.96毫米,厚度3.323毫米使用水压机的恒压3.5吨。球被加热到900°C 1 h在石英坩埚删除绑定。观察样品的热行为使用热重量分析系统。微观结构和形态钛酸钡陶瓷的特点是扫描电子显微镜。居里温度和样品的介电常数温度范围27°C到161°C的测定。介质常数,耗散系数和电阻率测量在室温下不同频率使用电感电容电阻测量计。自发极化(Ps),强制字段(Ec)和击穿电压(Eb)从铁电滞回线获得观察到1到10 Hz使用铁电测试仪系统(RT66A辐射技术,Inc .) (表1)。

表1:方法和前兆。

结果与讨论

x射线衍射

图4显示了x射线衍射模式(电子邮件保护),(电子邮件保护)和(电子邮件保护)很明显,准备的BaTiO₃样品在简单立方阶段因为观察到的峰值为22.25°,31.52°,38.97°,45.31°,50.95°,56.61°,66.31°,分别和70.61°。相应的密勒指数(001)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(202)、(212)和(311)。它显示了所有三个样品高峰。当比较三个BaTiO XRD图₃由solgel方法用氢氧化钡和TITP显示高强度峰值。溶胶凝胶的山峰在XRD模式样本出现轻微转向低2θ角相比,固体样品。这可能是由于晶格参数的变化,这是明显的粒度测量。表2计算出样品的粒度从著名谢勒方程。发现粒度对所有样品准备使用不同方法几乎是相同的。

表2。在纳米粒子大小。

样品的介电行为

图5显示了介电常数的变化作为温度的函数。所有的样本曲线类似于标准介质BaTiO曲线₃即。,dielectric constant value gradually increases with temperature, and then suddenly reaches a peak value at Curie temperature and then decreases. The Curie temperature and corresponding dielectric constants are tabulated below表3。

表3。不同样品的居里温度和介电值BaTiO₃。

从表中很明显(电子邮件保护),准备从氢氧化钡octahydrate TI TP,显示了高介电常数比其余三个样品。的介电常数(电子邮件保护)8943.2117在130°C(居里温度)。

微观结构的样品

扫描电子显微图显示了钛酸钡颗粒的形态由不同的前体下相同的放大图6 a-6c。看到,钛酸钡粒子分散。晶体的大小在一个相对不同的宽范围在1和5之间μm和其中一些形成微骨料具有不同的形状。少量的毛孔与维度与结晶相对应的大小是均匀分布的样本体积。溶胶-凝胶粉末的高反应活性,但通常agglomeration-aggregation现象支持大孔隙的存在导致晶粒粗化和困难的烧结13,14]。溶胶凝胶准备样品的密度比固态制备高。很明显,晶粒生长增强,有助于致密化。这预计将发生由于溶胶-凝胶过程涉及到分子水平的混合均质材料的形成和结果。溶胶-凝胶过程,避免污染物质和更好的化学计量控制。它提供了一个更好的一粒一粒大小和形状控制。它控制合成BaTiO的结晶度和可分散性₃纳米粒子(15]。结果还表明,优化尺寸和前体可以控制开始最后的晶粒尺寸。机械研磨的前兆变化的形态等大型骑小球形颗粒(图6)。

热分析(TGA、DTA) BaTiO₃粉准备的前体固态和溶胶凝胶过程图7 a-7c。凝胶的TG和壳体的升温速率进行了20°C /分钟到900°C,在空气中。两个溶胶凝胶样品的DTA曲线((电子邮件保护)和(电子邮件保护))显示一个锋利的吸热峰95到100°C和对应于颗粒表面吸附水的挥发,异丙醇,乙酸,蒸发分别为甲氧基乙醇。减肥的第二个主要发生在温度范围225到280°C的热解有机组织(放热峰)。进一步的放热峰在620°C可能由于钙钛矿相的结晶。最后一个放热峰观察温度域732 - 760°C的分解与少量的碳酸钡分解乙酰基形成的。但对于固态前体起始放热峰在130.9°C没有因为含水量最低,样本的数量。

频率的依赖关系优化的示例

频率优化的研究样本进行了使用电感电容电阻测量计。各种因素如介电常数、电阻率和耗散因子进行了研究。耗散因子,D,任何材料的定量描述耗散的电能由于不同电导等物理过程,介电弛豫,介电共振和损失等非线性过程滞后(Burfoot 1967《)。当我们在一个单一的频率,测量介质损耗我们不能,一般来说,区分它们。他们都产生一个可测量的量,即总测量D D所示对频率的变化图8。它是观察到D增加而增加频率,达到最高价值在10 kHz。电阻率是一个量化的固有特性如何强烈反对一个给定的材料流动的电流。耗散因子(D)是一个衡量的能量损失率。

图8显示了依赖与介电常数的频率。随着频率的增加介电常数降低。在零频率,但是与此同时介电常数测量在室温下的温度和介电常数的研究(图5)。电阻率的介电常数也显示了类似的行为。电容的介电常数是研究以来,身体储存电荷的能力。它的能力一样材料反对电荷的流动(电阻率)。图9显示了极化和电场(次)曲线在RT样品由溶胶-凝胶法路线使用前体氢氧化钡和钛(IV)异丙醇盐为不同频率。由于铁电相的稳定性可以由结构转变等额外因素吸收外来原子(16]。很明显,持久性的铁电性的结果远程极地订单偶极子的17]。任何中断极地顺序会影响铁电性。一般来说,减少极化发生由于粒径的减少16),氧气等结构性缺陷的存在职位空缺和混乱16]。也观察到强制字段的值(Ec)仍然很高,最大极化值大幅减少(P-max)随着频率的增加。

结论

根据XRD、电介质研究和SEM结果,虽然(电子邮件保护),准备使用固态反应方法,显示了更好的介电性能,孔隙结构时由于一些缺陷形态。(电子邮件保护),准备从醋酸钡和TITP弱结晶发生和非常低的介电常数。因此,可以得出结论,BaTiO₃粉由溶胶-凝胶过程用氢氧化钡octahydrate TITP,是最好的的制备方法。激烈和尖锐的峰中形成结晶,显示了高介电常数在居里温度130°C。

确认

作者表达他们的感谢KSCSTE, Sasthra餐馆,特里凡得琅(喀拉拉邦)对金融支持下开展这项研究工作SRS研究项目和研究DST-FIST faciliteis普罗维登斯女子大学提供。

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