CCTO烧结工艺对晶粒尺寸的影响

实验二CaCu3Ti4O12烧结工艺对晶粒尺寸的影响一、实验目的1．了解CaCu3Ti4O12（CCTO）显微结构的观察方法；2．掌握烧结温度和保温时间对陶瓷结构和晶粒尺寸的影响；3．了解CaCu3Ti4O12微观结构对介电性能的影响。二、实验原理现代用于压电及介电的功能陶瓷材料大多数是使用高温烧结工艺来合成。其主要的工艺流程分为配料、球磨、合成、添加粘结剂、压片、预烧及烧结等步骤。预烧(预合成)与烧结(烧结成瓷)是电子陶瓷的两个主要生产过程。一般情况下，预合成温度比烧成温度略低。粉料的预合成不能达到烧结，预合成的中间产物是熔块、瓷粉等。电子陶瓷的烧成对粉料能否成瓷起着关键作用。经过烧结工艺后，原来处于疏松状态的物质，转而进入致密状态成为陶瓷。陶瓷的致密化就是要获得致密烧结的陶瓷，这就需要较彻底的排除气孔，其关键就在于烧结过程中不让气孔陷入晶粒之内。而避免气泡的陷入、获得致密陶瓷的主要影响因素则包括有烧结温度、升温速率、烧结气氛等。本实验主要研究的是CCTO的烧结工艺，并讨论了烧结致密化对其微观形貌及晶粒尺寸的影响。X射线衍射分析(X-RayDiffraction，XRD)的方法可以用来检测样品的晶体结构。不同的物相具有不同的晶体结构，对应于不同的θ~2θ模式扫描图谱。微观结构分析：陶瓷的微观结构一般采用的是扫描电子显微镜分析(ScanningElectronMicroseopy，SEM)的方法。其观察所得的像根据成像电子不同包括有背散射电子像、二次电子像以及吸收电子像。背散射电子是由样品反射出来的初次电子，背散射电子信号中包含了试样表面形貌和原子序数信息，像的衬度既有形貌衬度也有原子序数衬度，因此背散射电子像可用于研究样品的表面形貌和成分分布；二次电子是单电子激发过程中被入射电子轰出的试样原子核外电子，二次电子像主要反映试样表面的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度形成主要决定于试样表面相对于入射电子束的倾角，由于二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，因此适用于粗糙表面及断口的形貌观察;吸收电子像与背散射电子像一样包含着成分和形貌两种信息，但它是吸收方式的像。三、仪器和试剂马弗炉、电子天平、XRD衍射仪、扫描电镜四、实验步骤1.其中的主要工艺包括：1).配料选择纯度为分析纯(99.9%)的CaCO3、CuO、TiO2为原料制备CaCu3Ti4O12陶瓷，并根据CaCu3Ti4O12的化学式，配备摩尔比为CaCO3:CuO:TiO2=l:3:4的原料粉末，将其混合均匀。2)预合成预合成，是在一定温度下合成材料主晶相的过程。预合成的制度如下：在室温下以4℃/min的升温速率升温至1000℃，保温8小时后自然冷却降至室温。初次预合成后的样品经破碎研磨后，遵照同样的工艺制度再合成一次。合成时为使反应尽可能的充分，须将粉料略为施压制成坯体以增加粉料相互之间的接触面积。3)干压将合成后的粉料破碎研磨细化后，在115~130MPa的压强下压制成直径20mm、厚度2~3mm的坯体。4)烧结烧结是使成型的坯体在高温作用下致密化，完成预期的物理化学反应，达到所要求的物理化学性能的全过程。该过程通常分为三个阶段：从室温到最高烧成温度时的升温阶段；在高温下的保温阶段；从最高温度降至室温的冷却阶段。本实验涉及CaCu3Ti4O12陶瓷烧结的实验过程中所采用的烧结制度为：从室温以2℃/min的升温速率升温至300℃，保温0.5小时以排出粘结剂PVA；再以3℃/min的升温速率至烧结温度(1050~1100℃)，经历相应的保温时间后自然冷却降至室温。2.晶体结构检测进行x射线衍射分析。通过记录、描绘CCTO陶瓷的θ~2θ模式X射线衍射图谱，与标准卡片上的数据进行比较，从而分析确定CCTO陶瓷样品中的相结构。3.微观结构分析实验中使用的扫描电子显微镜为，主要用于观察CCTO陶瓷的断口表面形貌以及成分分布，因此采用背散射电子像来作为扫描电子像。样品在观测之前须先溅射一层极薄的金以增加导电性。五、结果和讨论1.分析在1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃和1250℃下烧结的CCTO陶瓷的XRD的物相及SEM的显微结构。2．在烧结温度为1100℃的条件下，保温时间分别为2小时、4小时、8小时和16小时条件下烧结得到的CCTO陶瓷的XRD的物相分析和SEM微观形貌的影响。六、注意事项1.在升温阶段主要是水分和有机粘合剂的挥发、结晶水和结构水的排除、碳酸盐的分解，有时还有晶相转变等过程。除晶相转变过程外，其他过程都伴有大量气体的排出。所以升温不能太快，否则会造成结构疏松、变形和开裂。2.保温阶段是成瓷的主要阶段。在这一阶段各组分进行充分的物理、化学变化，以获得致密的陶瓷。因此，必须严格控制最高烧成温度和保温时间。3.在冷却过程中，液相凝固、析晶、相变都伴随发生。因此，冷却方式、冷却快慢对瓷体最终的相组成、结构和性能均会有影响。七、思考题1．影响晶粒尺寸的因素有哪些？2．怎样提高CCTO陶瓷的致密度？