高性能钛酸钡陶瓷的制备工艺与应用

钛酸钡因具有高介电常数、压电铁电性及正温度系数等优异性能而成为重要的陶瓷材料。烧结工艺对钛酸钡陶瓷的致密化与显微结构具有重要影响；钛酸钡陶瓷存在介电常数随温度的变化率较大、介电损耗高、击穿场强低、本身存在薄层时吸收强度弱和带宽窄等缺点，常常通过掺杂改性来提高钛酸钡陶瓷的性能，而不同掺杂材料对钛酸钡陶瓷有着不同的影响。钛酸钡陶瓷应用前景广阔，进一步研究更优良的钛酸钡陶瓷烧结工艺及掺杂工艺有着很重大的意义。

钛酸钡陶瓷烧结工艺

【毫米波烧结】

毫米波与微波相比波长更短，电磁波能量在空间分布更均匀，能够使被烧结材料本身温度分布更均匀，毫米波烧结还能够进一步降低材料的烧结温度。低的烧结温度不仅对制备细晶粒陶瓷材料有利，也能够降低多层陶瓷电容器内电极的使用要求。毫米波烧结的以上特点可在更低的烧结温度和更短的处理时间内获得相同甚至超过常规烧结材料介电性能的钛酸钡陶瓷。

钛酸钡陶瓷掺杂工艺

掺杂改性是获得高性能无机功能材料的一条重要途径，掺杂组分的分布不仅影响材料的工艺性能，还对材料的微观 结构有重要的影响，进而改变材料功能效应。ABO₃钙钛矿特有的几何松散性能够容纳不同尺寸的掺杂离子，所以不同A位或B位以及A位和B位的复合能够得到许多复合钙钛矿结构固溶体和化合物。通过不同方式对钛酸钡基陶瓷进行改性，以达到提高材料的介电常数、减小介电常数随温度的变化率、降低介电损耗、改善吸波性能等目的。 

钛酸钡掺杂改性主要通过等价掺杂(PbTiO₃、SiO₂、TiO₂等)、不等价掺杂(Al₂O₃、Bi₂O₃、Y₂O₃等)进行。等价态离子的掺杂大致分为两类：其一是Pb²⁺、Sr²⁺等二价离子，能够取代或置换Ba²⁺位，取代后电价不发生改变，但其离子半径会影响其晶胞参数，有些离子会使钛酸钡陶瓷的距离峰发生弥散，而另一些离子可能影响居里温度向低温方向移动，或如Pb离子一样，使得居里温度升高。另一类则是化合价和B位离子(Ti⁴⁺)电价相同，像Si⁴⁺取代Ti⁴⁺可使居里温度移向高温。

不等价掺杂包括：施主掺杂(即掺杂元素的电荷高于被取代元素)，有些离子掺杂量较大时能够有效降低晶粒尺寸，比如Nb⁵⁺和Nd³⁺分别取代B位和A位，受主掺杂(即掺杂元素的电荷低于被取代元素)，像Co²⁺、Ni²⁺等可使陶瓷材料的温度稳定性有所提高。采用过渡金属离子(如Cr、Mn、Co、Nb)来对A位和B位掺杂，也能够显著提高钛酸钡陶瓷的介电性能。

钛酸钡陶瓷掺杂常使用的掺杂材料主要有金属氧化物、稀土元素、玻璃、聚合物等。

钛酸钡的应用

(1)目前钛酸钡在电子陶瓷工业应用最广、最具开发潜力的领域就是陶瓷电容器，钛酸钡陶瓷材料具有高介电常数、压电铁电性以及正温度系数等优异性能，是制备正温度系数(PTC)热敏电阻器、多层陶瓷电容器(MLCC)、动态随机存储器(DRAM)、节点放大器和光电元件的必需原料。近年来，BaTiO₃基介电材料占陶瓷电容器总消耗量的90％以上。纯钛酸钡陶瓷及其改性化合物具有高的介电常数，已经被广泛用于生产多层陶瓷电容器。

(2)钛酸钡陶瓷可作为高储能密度介质材料，制作成高储能电容器，用于脉冲功率技术之中。与其它储能装置相比，电容器具有放电功率大、利用效率高、脉冲放电寿命长等优点，正逐渐成为脉冲功率设备中的储能元件而被广泛应用于电磁轨道武器、全电动军舰、战斗用车辆等国防领域。

(3)钛酸钡陶瓷用于制作超级电容器应用于移动通讯、航空航天和国防科技等领域，特别是在电动汽车上，大功率的超级电容器更显示了其前所未有的应用前景，不仅适合于作短时间的功率输出源，还可利用它比功率高、比能量大、一次储能多等优点，在电动车启动、加速和爬坡时有效地改善运动特性。超级电容还具有内阻小、充放电效率高、循环寿命长、无污染等独特的优点，和其他能量元件(发电机、蓄电池、燃料电池灯)组成联合体共同工作，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径，可以大大提高电动车一次充电的续航里程。