BaTi2O5无铅压电陶瓷粉体的制备

曲艳玲，张 帆，姚 远

（1. 沈阳化工大学材料科学与工程学院， 辽宁 辽阳110142； 2. 中国建筑第八工程局有限公司， 辽宁 大连 116000）

铁电材料具有介电、压电、铁电、热释电、光电及非线性光学等诸多特性，在微电子、光电子、集成光学和微电子机械系统等领域表现出广阔的应用前景，其制备、结构、性能与应用已成为新材料研究的热点之一[1]。目前，广泛研究和应用的铁电体主要为含铅类材料，这类材料在制备和使用过程中，不可避免地会给环境和人类健康带来危害，为此迫切需要研发无铅的铁电材料。

BaTi2O5是一种新型的无铅铁电材料，它是BaO-TiO2体系中的一种富Ti的中间相[2]，属于单斜结构，自高温到低温经历着斜方→单斜的相变过程（相变温度为475oC），其中斜方相为顺电相，而单斜相为铁电相[3]。与传统的 BaTiO3相比，BaTi2O5仅在b轴具有铁电现象，在居里温度（475oC）附近的介电常数达到最大值20 500[4]，比BaTiO3大3倍，居里温度约高340oC，其压电性可以与PbTiO3相媲美，且具有比 PbTiO3高的居里温度[5]，因而有望成为应用前途广阔的无铅高温铁电材料。但是，BaTi2O5又是一种高温介稳相，温度高于1 150oC时易分解生成BaTiO3和Ba6Ti17O40[4,6]，所以很难通过常规固相反应合成。本文采用非均相共沉淀法制备BaTi2O5粉体，研究煅烧温度对粉体晶相和微观形貌的影响。

1 实验部分

1.1 粉体制备

实验所用原料包括分析纯硫酸钛，硝酸钡，以去离子水为溶剂，聚丙烯酸(PAA)为吸附剂，碳酸氢铵为沉淀剂，采用非均相共沉淀法合成BaTi2O5粉体。

首先称取一定质量的硫酸钛，溶解在一定量的去离子水中，转入高压釜内，控制填充度为80%，在200oC下反应保温2 h后，取出沉淀后用去离子水反复洗涤，得到二氧化钛悬浮液。在不断搅拌下，将PAA滴加到二氧化钛悬浮液中。称取一定量的硝酸钡溶解在去离子水中，逐滴滴加到含有PAA的二氧化钛悬浮液中，最后再称取一定量的碳酸氢铵添加到上述混合液中，得到非均相共沉淀物，经过滤，干燥，得到前躯体粉体。将前躯体粉体在一定温度下煅烧1 h，得到最终产物BaTi2O5粉体。

1.2 粉体表征

美国热电公司NEXUS 470型红外光谱仪（IR）对产物进行化学结构分析。日本电子的日立S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)来观察粉体的表观形貌，日本理学株式会社的D/MAX 2400型X射线衍射仪(XRD)对产物进行晶体结构分析。

2 结果与讨论

2.1 粉体的IR分析

图1为不同煅烧温度下粉体的IR谱图。由图可以看出，前躯体中3 421 cm-1弱而宽的峰为水的吸收峰，2 922 cm-1为CH2的伸缩振动峰，2 451 cm-1峰为聚丙烯酸中的甲基（-CH2-）与沉淀剂碳酸氢铵的NH4+配位后的振动吸收峰，波数为1 443 cm-1的峰为CO3

2-的振动吸收峰，波数1 074 cm-1，857 cm-1三处吸收峰为Ba-O的振动吸收峰，波数为569 cm-1处的宽峰为 Ti-O键的特征吸收峰，由此说明前躯体主要由TiO2、BaCO3和PAA组成；随着煅烧温度的升高，可以看出聚丙烯酸的特征吸收峰逐渐消失，温度达到800oC时，PAA和CO32-的特征吸收峰消失，说明PAA和BaCO3分解完全，当温度到达1 100oC以后，在1 000~ 4 000 cm-1范围内几乎没有明显的特征峰，标志着生成了最终产物BaTi2O5。

图1 不同煅烧温度下粉体的IR谱图Fig.1 IR spectra of powders obtained at different temperatures.

2.2 粉体的XRD分析

图2 不同温度下煅烧后粉体的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of powders obtained at different temperatures

XRD图谱，由图2可以发现：前躯体主要由 TiO2和BaCO3晶相组成；随着煅烧温度的升高，达到800oC时主要晶相为BaTiO3，有TiO2杂相。当温度达到1 100oC时生成单一晶相的BaTi2O5粉体，与BaTi2O5的PDF卡片（PDF#70-1188）比对，发现合成粉体的衍射峰与单斜晶相BaTi2O5的标准峰相吻合，证明通过非均相共沉淀法可得到单一晶相的BaTi2O5。

2.3 粉体的表面形貌

图3为前躯体及1 100oC煅烧1 h后BaTi2O5粉体的SEM照片，由图可以看出，前躯体为片状叠加生长，颗粒尺寸大小均匀分散，错落有致，粒径约为50~100 nm。为前躯体粉体在1 100oC下煅烧1 h所得到的BaTi2O5粉体的SEM照片，可以看出，粉体仍叠加生长，且尺寸明显长大，有明显的团聚。

图3 粉体的SEM照片Fig.3 SEM image of powders

图4 在1 100 ℃下煅烧1 h粉体XRD谱图Fig.4 XRD pattern of powders obtained at 1 100 ℃for 1 h

2.4 压片煅烧对粉体制备的影响

由图4可以看出在相同的条件下，压片煅烧和未压片煅烧对 BaTi2O5粉体的制备有很大的影响。当粉体压片煅烧时，在1 100 ℃下煅烧1 h，可以形成单一晶相的BaTi2O5。而未压片却不能形成BaTi2O5而是形成BaTiO3和TiO2等混合晶相。这是因为粉体未压片时，颗粒与颗粒之间的接触面积小，不利于晶相的形成；相反，当粉体压片煅烧时，颗粒与颗粒间接触面积大，有利于晶相的最终形成。

3 结束语

以硝酸钡和自制的二氧化钛悬浮液为原料，通过非均相共沉淀法制备了前驱体粉体。然后将前躯体在1 100oC下煅烧1 h得到单一晶相的BaTi2O5粉体。SEM图片显示 BaTi2O5粉体叠加生长，有明显的团聚。前驱体粉体压片煅烧时，颗粒与颗粒间接触面积大，有利于晶相的最终形成。BaTi2O5粉体的成功制备可为无铅压电陶瓷的研究带来新思路。

［1］ 彭健，王传彬，李凌,等．BaTi2O5铁电陶瓷的放电等离子烧结[J].稀有金属材料与工程，2011，6(40)：364-366.

［2］ Wang Liqiu，Kang Hongmin，Xue Dongfeng，et al．Phase Evolution of BaTiO3Nanoparticles:An Identification of BaTi2O5Intermediate Phasein Calcined Stearic Acid Gel[J].Journal of Physical Chemistry C,2008，112(7)：2382-2388.

［3］ Masatomo Yashima，Rong Tu，Takashi Goto，et al．Crystal structure of the high-temperature paraelectric phase in barium titanate BaTi2O5[J].Applied Physics Letters，2005，87(101909)：1-3.

［4］Takaya Akashi，Hiroaki Iwata，Takashi Goto．Dielectric Property of Single Crystalline BaTi2O5 Prepared by a Floating Zone Method[J].Materials Transactions，2003，44(8)：1644-1646.

［5］ Umesh Waghmare，Marcel H. F. Sluiter，Teiichi Kimura，et al．A lead-free high-TCferroelectric BaTi2O5: A first-principles study[J].Applied Physics Letters, 2004, 84(24)：4917-4919．

［6］ Lee Soonil，Randall Clive A.，Liu Zikui．Modified Phase Diagram for the Barium Oxide–Titanium Dioxide System for the Ferroelectric Barium Titanate[J].Journal of the American Ceramic Society，2007，90(8)：2589-2594．