实验四 钛酸钡陶瓷的成型与烧结

实验四 钛酸钡陶瓷的成型与烧结（精选2篇）

篇1：实验四 钛酸钡陶瓷的成型与烧结

实验四 钛酸钡陶瓷的成型与烧结

一、实验目的：通过钛酸钡的压片成型与烧结工艺，掌握固相法合成陶瓷样品的一般原理与实验方法。

二、实验原理：化学反应方程式

BaCO3+TiO2=BaTiO3+CO2↑

三、实验方法： a）工艺流程

造粒---压片---热处理

b)原料

钛酸钡粉体（实验一制备）、PVA 7%、无水乙醇、去离子水H2O c)实验步骤

（1）称取实验一制备好的钛酸钡粉体，加入低于粉末质量10％的PVA溶液（浓度7%），研磨，用40目筛子过筛造粒。

（2）秤取2g造粒好的粉末进行压片，模具直径13mm，压力5MPa。将控制坯体的密度控制在45～50％（每人压一个片）。（3）高温合成：

I将压好的陶瓷片放在坩埚里，然后放入电炉内，小心关上炉门。II合上电炉电源，III 设定反应温度1300℃，保温3h，升温程序：rt—300min—600℃—140min—1300℃—180min—1300℃——随炉冷却

当电炉温度降低到100℃方可以打开炉门，取出样品。（4）取出，物性分析：进行XRD、SEM或光学显微镜进行观察。

四、实验报告的要求

（1）简述钛酸钡陶瓷压片成型及热处理的原理和过程。

（2）每位学生必须亲自操作，整理完整的实验数据，并将自己合成的粉末选择一种方法（XRD、SEM或光学显微镜）进行分析或观察，写出实验报告。

压片机操作规程

1、接通电源，闭合电源开关；

2、松开注油孔螺钉，将电接点压力表上的上限指针调到所需压力位置（5MPa）；

3、清理模具，用无水乙醇将模具表面擦拭干净，将造好粒的粉末样品装入模具中；

4、将模具或需要加压的样品放在工作台上，并旋紧手轮，将模具固定；拧紧放油阀；按下绿色启动开关，即开始加压，直至达到设定压力，电机会自动停止工作，开始保压；

5、加压过程中，如需提前停止工作，直接按下红色停止键即可；

6、保压结束，松开放油阀泄压；

7、取出模具，倒置，取下模底，垫上退模套，将模具放回压片机中心，旋下压片机丝杆使样品退出（严禁用电机加压挤出样品）；

8、清理模具；

篇2：实验四 钛酸钡陶瓷的成型与烧结

钛酸铝陶瓷因具有熔点高、热膨胀系数低、抗热震性好等优良特点而被广泛应用于诸多工业领域中[1,2]。目前钛酸铝材料常用的成型方法主要有注浆成型、模压成型和等静压成型,这些成型方法或生产周期长、效率低,或坯体密度不均、易开裂,已难以满足人们的生产需要[3,4]。凝胶注模成型是近三十年来新发展的一项成型技术,该成型技术在常温常压下就可以实现形状复杂坯体的制备,并且所得到的坯体密度均匀、机械强度高[5,6]。其原理是向低粘度、高固相体积含量的料浆中加入有机单体,在引发剂作用下,单体交联聚合形成三维网络状凝胶,使得陶瓷粉料原位固化成型[7,8]。关于凝胶注模成型的工艺,我国学者也进行了不少研究[9,10,11]。谭训彦等[12]早期采用凝胶注模成型法,以丙烯酰胺为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸铵为引发剂,N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂,考察了单体和引发剂用量、单体与交联剂配比等工艺对成型后氧化铝陶瓷坯体性能的影响,得到了强度高达68.20 MPa的氧化铝陶瓷坯体。由于丙烯酰胺的毒性较大,因此,该方法的应用和实施受到了限制。郭文利等[13]等采用凝胶注模成型法,以N-羟甲基丙烯酰胺为单体,过硫酸铵为引发剂,在未使用交联剂的情况下考察了溶液p H值、单体用量和固化温度等对陶瓷坯体凝胶成型性能的影响。其最后使用固相体积分数为40%的纳米氮化硅粉体进行注凝成型,得到了抗弯强度仅有13 MPa的坯体。低毒或无毒凝胶体系的坯体性能与丙烯酰胺体系的相比,仍存在一定差距[14]。此外,研究发现在凝胶注模成型固化时,坯体易因氧阻聚作用而产生表面起皮的现象[15]。为解决这一问题,易中周等[16]向丙烯酰胺单体溶液中加入1.5%PVA,注凝成型得到了表面相对平整的氧化铝陶瓷坯体。该方法虽然较好地解决了氧化铝坯体表面脱粉问题,但坯体强度却发生了明显下降。

以低毒的N-羟甲基丙烯酰胺作单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺作交联剂,聚丙烯酸钠作分散剂,交联淀粉作防护剂,过硫酸铵和亚硫酸铵组成氧化还原体系引发剂,通过考察单体与交联剂配比、引发剂配比及固化温度对料浆固化时间和坯体抗折强度的影响,优化出能使钛酸铝坯体具有强度高、不起皮等特征的凝胶注模成型工艺。

1 实验部分

1.1 试剂与药品

钛酸铝粉,化学纯,颗粒细度D50=1.007μm,购自淄博硅元泰晟陶瓷新材料有限公司;N-羟甲基丙烯酰胺(N-MA),分析纯,购自上海展云化工有限公司;N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM),分析纯,购自天津博迪化工股份有限公司;聚丙烯酸钠(PAAS),化学纯,分子量2000,购自邹平县东方化工有限公司;过硫酸铵(APS)、亚硫酸铵(ASF)、盐酸、氨水,分析纯,均购自上海国药集团化学试剂有限公司;交联淀粉,按照文献[17]所述的方法制备;去离子水为实验室自制。

1.2 实验方法

按一定质量比(k)分别称量N-羟甲基丙烯酰胺(N-MA)和N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)共51.975 g,用225 g去离子水将上述两种物质溶解,得到预混液A。向预混液A中加入8.316 g聚丙烯酸钠(PAAS2000)和3.119 g交联淀粉,充分搅拌溶解后用盐酸或氨水将混合液的p H值调至9,得到预混液B。称量钛酸铝粉1039.5 g,将其与预混液B混合后一同倒入含有氧化铝球子的球磨罐中。料∶球质量比控制为1∶2,转速400 r/min,行星式球磨4 h。将球磨过的钛酸铝料浆倒入塑料烧杯中,按一定质量比(p)分别称量过硫酸铵(APS)和亚硫酸铵(ASF)共6.237 g。将称量好的引发剂加入到钛酸铝料浆中,用搅拌机充分搅拌分散后将料浆注入不锈钢模具。室温T℃下固化,1 h后进行湿坯脱模。将湿坯置于40℃烘箱中加热72 h,得钛酸铝干坯。

按照上述方法实施得到的钛酸铝料浆,各组分的体积比或质量分数为:钛酸铝与去离子水的体积比为55∶45,单体和交联剂的总用量为钛酸铝质量分数的5%,分散剂的用量为钛酸铝质量分数的0.8%,防护剂的用量为钛酸铝质量分数的0.3%,引发剂的总用量为钛酸铝质量分数的0.6%。

1.3 测试与表征

1.3.1 料浆粘度的测试

将球磨搅拌分散过的钛酸铝料浆倒入上海垒固仪器有限公司生产的涂-4杯中,静置30 s,测定料浆全部流完所需的时间(V0)。

1.3.2 坯体抗折强度的测试

将坯体制成40 mm×10 mm×8 mm左右的试条,采用三点弯曲法,利用西安力创计量仪器有限公司生产的WDW-10型微机控制电子万能实验仪测试试条的抗折强度(R)。

1.3.3 料浆固化时间的确定

自钛酸铝料浆注满不锈钢模具起开始计时,一段时间(t)后用10 g的砝码置于料浆浆面,若砝码能被托住不下沉,且撤移后浆面无凹痕则视为料浆已固化。

1.3.4 坯体断面显微形貌的表征

利用日本JEOL公司制造的JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜对坯体断面的显微形貌进行表征。

2 结果与讨论

2.1 单体与交联剂配比及引发剂配比对料浆粘度的影响

单体与交联剂配比(k)及引发剂配比(p)对料浆粘度的影响如表1所示。从表中可以看出,当单体与交联剂配比及氧化剂与还原剂配比均在一定范围内变化时,钛酸铝料浆的粘度基本保持稳定,V0始终处于23~25 s。由此可见,当单体与交联剂用量及引发剂用量固定时,单体与交联剂配比及引发剂配比对钛酸铝料浆的粘度几乎无影响。

2.2 单体与交联剂配比对坯体强度及固化时间的影响

表2反映了在p=1∶1、T=15℃条件下,单体与交联剂配比(k)对坯体强度(R)及固化时间(t)的影响。随着交联剂质量分数的增加,坯体的抗折强度先增大后减小,以单体∶交联剂=30∶1时达到最大,为59.09MPa。若交联剂质量分数过大,则单体的质量分数就偏小,所形成的聚N-羟甲基丙烯酰胺分子的数量就相对有限。即使依靠交联剂能促使聚合物分子之间的相互作用增强,但这种高交联度聚合物分子受单体用量的影响,在坯体内部的分布总体偏少,因而间接导致坯体的抗折强度不高。随着交联剂质量分数的增加,坯体的固化时间呈减小趋势。当单体与交联剂的配比为30∶1时,坯体固化用时52 min。

2.3 引发剂配比对坯体强度及固化时间的影响

表3反映了在k=30∶1、T=15℃条件下,氧化剂与还原剂配比(p)对坯体强度(R)及固化时间(t)的影响。随着引发剂中氧化剂质量分数的增加,坯体的抗折强度逐渐增大。当氧化剂与还原剂的配比为3∶1时,坯体的抗折强度达到最大,为62.25 MPa。氧化剂与还原剂的比值愈大,坯体的固化时间愈短。当p=3∶1时,坯体实现固化仅需44 min。

2.4 固化温度对坯体强度及固化时间的影响

表4反映了在k=30∶1、p=3∶1条件下,固化温度(T)对坯体强度(R)及固化时间(t)的影响。如表所示,随着固化温度的升高,坯体的固化时间急剧下降。这是由于温度愈高,分子活度愈大,单体均聚形成聚合物的速率愈快,宏观上表现为料浆快速固化的缘故。

钛酸铝陶瓷在注凝成型时,其固化时间应控制在20~30 min内。若固化时间过短,则对于形状复杂的模具而言,料浆还未全部注满空间就实现了固化,容易造成细小或尖锐部位的缺失。若固化时间过长,则影响模具重复使用的周转次数,不利于控制生产周期。当T=24℃时,坯体的固化时间最短,仅24 min,抗折强度最高,达65.08 MPa。

2.5 坯体断面的显微形貌

在k=30∶1、p=3∶1、T=24℃成型条件下所得到的样品,其坯体断面的SEM照片如图1所示。图中,钛酸铝粉体结构堆积紧密,大中小颗粒分布均匀,视野未见气泡孔洞。

2.6坯体表面的平整情况

坯体的照片如图2所示(成型工艺均为k=30∶1、p=3∶1、T=24℃)。a为添加有交联淀粉防护剂注凝成型得到的钛酸铝坯体,b为未添加有交联淀粉防护剂注凝成型得到的钛酸铝坯体。从图中可以看出,a坯体表面光滑平整,没有起皮,而b坯体产生了明显的起皮现象。

图2样品的照片(a)添加防护剂,(b)未添加防护剂Fig.2 Photographs of the samples,(a)adding with the protective agent,(b)without any protective agent

钛酸铝坯体在凝胶注模成型固化时,N-羟甲基丙烯酰胺分子首先将均聚形成高分子聚合物,这些聚合物分子再通过交联剂作用形成三维网络状结构。钛酸铝坯体起皮的原因正是由于N-羟甲基丙烯酰胺分子均聚受阻,难以形成三维网络结构所致。淀粉是一种天然高分子有机物,将其改性后加入至钛酸铝料浆中,由于淀粉分子本身就是一种高分子物质,加之已经预糊化和交联处理,因此可以无须经历分子均聚阶段而直接进行进一步的交联反应。交联淀粉率先在钛酸铝坯体内部和表面形成三维网络骨架。该骨架的存在将缓解N-羟甲基丙烯酰胺分子与空气中氧气的接触程度,促进单体聚合。

3结论

(1)单体与交联剂配比及引发剂配比对钛酸铝料浆的粘度无明显影响;

(2)单体与交联剂配比对坯体抗折强度的影响较大,随着交联剂质量分数的增加,坯体的抗折强度先上升后下降;

(3)引发剂配比对坯体抗折强度和固化时间均有一定影响,氧化剂与还原剂的比值愈大,坯体的抗折强度愈高,所需的固化时间愈短;

(4)固化温度对坯体固化时间的影响较大,温度愈高,坯体所需的固化时间愈短;

(5)将交联淀粉作为防护剂使用,能有效防止钛酸铝坯体在凝胶注模成型固化时因氧阻聚而产生的起皮现象;