鈦酸鋇
發布時間:2016-11-29 來源:未知     分享到:
  鈦酸鋇是一種強介電化合物材料,具有高介電常數和低介電損耗,是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一,被譽為”電子陶瓷工業的支柱“。

  物理性質


  中文名稱:鈦酸鋇

  英文別名:Bariumtitanatesinteredlumpmmwhitepieces;

  barium titanium trioxide; Bariumtitanatewhitepowder;

  Barium titanate; BARIUM TITANATE, 99%; Barium titanium oxide;

  barium(+2) cation; oxygen(-2) anion; titanium(+4) cation;

  barium dioxido(oxo)titanium; dibarium tetraoxidotitanium

  CAS號:12047-27-7

  EINECS:234-975-0

  風險術語:R20/22:;

  安全術語:S28A:;

  物化性質

  性狀:白色粉末。

  熔點 :1625℃

  相對密度:6.017 g/cm3

  溶解性:溶于濃硫酸、鹽酸及氫氟酸,不溶于熱的稀硝酸、水和堿。

  結構

  鈦酸鋇是一致性熔融化合物,其熔點為1618℃。在此溫度以下,1460℃以上結晶出

  BaTiO3晶體結構

  BaTiO3晶體結構

  來的鈦酸鋇屬于非鐵電的六方晶系6/mmm點群。此時,六方晶系是穩定的。在1460~130℃之間鈦酸鋇轉變為立方鈣鈦礦型結構。在此結構中Ti4+(鈦離子)居于O2-(氧離子)構成的氧八面體中央,Ba2+(鋇離子)則處于八個氧八面體圍成的空隙中(見右圖)。此時的鈦酸鋇晶體結構對稱性極高,因此無偶極矩產生,晶體無鐵電性,也無壓電性。

  隨著溫度下降,晶體的對稱性下降。當溫度下降到130℃時,鈦酸鋇發生順電-鐵電相變。在130~5℃的溫區內,鈦酸鋇為四方晶系4mm點群,具有顯著地鐵電性,其自發極化強度沿c軸方向,即[001]方向。鈦酸鋇從立方晶系轉變為四方晶系時,結構變化較小。從晶胞來看,只是晶胞沿原立方晶系的一軸(c軸)拉長,而沿另兩軸縮短。

  當溫度下降到5℃以下,在5~-90℃溫區內,鈦酸鋇晶體轉變成正交晶系mm2點群,此時晶體仍具有鐵電性,其自發極化強度沿原立方晶胞的面對角線[011]方向。為了方便起見,通常采用單斜晶系的參數來描述正交晶系的單胞。這樣處理的好處是使我們很容易地從單胞中看出自發極化的情況。鈦酸鋇從四方晶系轉變為正交晶系,其結構變化也不大。從晶胞來看,相當于原立方晶系的一根面對角線伸長了,另一根面對角線縮短了,c軸不變。

  晶相轉變

  晶相轉變

  當溫度繼續下降到-90℃以下時,晶體由正交晶系轉變為三方晶系3m點群,此時晶體仍具有鐵電性,其自發極化強度方向與原立方晶胞的體對角線[111]方向平行。鈦酸鋇從正交晶系轉變成三方晶系,其結構變化也不大。從晶胞來看,相當于原立方晶胞的一根體對角線伸長了,另一根體對角線縮短了。

  綜上所述,在整個溫區(<1618℃),鈦酸鋇共有五種晶體結構,即六方、立方、四方、正交、三方,隨著溫度的降低,晶體的對稱性越來越低。在130℃(即居里點)以上,鈦酸鋇晶體呈現順電性,在130℃以下呈現鐵電性。

  自發極化

  鈦酸鋇是一種典型的鐵電體,所以提到鈦酸鋇,就一定要提到它的自發極化  。一般來講,電介質的電極化過程(方式)有三種,即電子位移極化、離子位移極化和固有電矩轉向極化。對于鈦酸鋇而言,經過物理學家的嚴格推算,鈦酸鋇的自發極化的貢獻主要來自于Ti4+的離子位移極化和氧八面體其中一個O2-的電子位移極化。具體的推算過程過程比較簡單,但內容冗長,這里不予敘述,請讀者參考有關書籍。

  鐵電疇

  鈦酸鋇晶體是由無數鈦酸鋇晶胞組成的。當立方鈦酸鋇晶體冷卻到居里點Tc時,將開始產生自發極化,并同時進行立方相向四方相的轉變。在發生自發極化的時候,其中一部分相互臨近的晶胞都沿著原來立方晶胞的某個晶軸產生自發極化,而另一部分相互臨近的晶胞可能沿原立方晶胞的另一個晶軸產生自發極化。這樣當鈦酸鋇轉變成四方相后,晶體就出現了沿不同方向自發極化的晶胞小單元,我們稱之為電疇。也就是說,通過降低溫度,晶體從順電相轉變為鐵電相時,由于自發極化,引起表面靜電相互作用變化,產生電疇結構。

  電疇的類型、疇壁的取向,除了主要由晶體的結構對稱性決定外,同時還要滿足以下兩個條件: ① 晶格形變的連續性:電疇形成的結果,使得沿疇壁而切割晶體所產生的兩個表面上的晶格連續并相匹配。 ② 自發極化分量的連續性:兩相鄰電疇的自發極化強度在垂直于疇壁方向上的分量相等。 因此,在四方鈦酸鋇單晶中,相鄰電疇的自發極化方向只能相交成180°或90°,即只存在180°疇和90°疇。在單斜晶系鈦酸鋇中,由于自發極化沿原立方晶胞的面對角線,因此除了180°和90°疇外,還存在60°和120°疇。而在三斜晶系鈦酸鋇中,除了存在180°疇外,還存在60°和109°疇。

  介電性質

  這里所說的鈦酸鋇的介電性質主要指的是鈦酸鋇陶瓷的介電性質  。

  單晶介電常數隨溫度的變化曲線

  單晶介電常數隨溫度的變化曲線

  鈦酸鋇陶瓷的介電性能基本上和鈦酸鋇單晶的相似。但由于陶瓷是多晶結構,存在晶粒和晶界。晶粒的大小和無序取向,晶界中玻璃相及雜質的存在,均直接影響其介電特性,使其與單晶的有所不同。

  純鈦酸鋇陶瓷的ε在a軸和c軸隨溫度T的變化關系如右圖下。它與單晶的ε和tanδ隨溫度T的變化關系(右圖上)比較,在Tc附近的ε的特性相差不大,但在5℃和-90℃兩相變溫度附近卻沒有單晶那樣變

  鈦酸鋇陶瓷的ε和tanδ隨溫度T的變化關系

  鈦酸鋇陶瓷的ε和tanδ隨溫度T的變化關系

  化

  粒徑對ε-T的影響

  粒徑對ε-T的影響

  顯著。

  另外,鈦酸鋇陶瓷的晶粒的大小也會影響ε和溫度T的變化關系(如下圖)。右圖可以看出,隨著晶粒尺寸的減小,在Tc以下ε增大,而在Tc附近ε峰值降低。

  研究現狀

  鈦酸鋇是一種強介電材料,是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一,被譽為”電子陶瓷工業的支柱“。關于鈦酸鋇的研究實在太多太多。國內外許多的學者對鈦酸鋇做了大量的研究工作,通過摻雜改性,已經得到了大量的新材料,尤其是在MLCC方面的應用。其應用前景極其廣闊,期待我們的加入。

  用途

  主要用于電子陶瓷、PTC熱敏電阻、電容器等多種電子元器件的配制以及一些復合材料的增強。

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