Бария титанат

Титанат бария

19

деятельности. Они имеют отношение к физике, химии, математике, биологии, медицине и архитектуре. Неослабевающий интерес поддерживается перспективами применения фуллеренов, фуллеритов и фуллеридов в технике, электронике, энергетике и машиностроении.

Самым распространенным сегнетоэлектрическим наполнителем, т.е. наполнителем, имеющим спонтанную поляризацию, является титанат бария (BaTiO3), который получают сплавлением титанового ангидрида и карбоната бария. Он выпускается в виде порошка серого или темно желтого цвета или в виде кристаллов, имеющих форму куба или восьмигранника.

Титанат бария представляет собой диэлектрик с электропроводностью 10 11 1013 Ом1см1 и высоким уровнем диэлектрической проницаемости (порядка 2 3 тысяч). Плотность титаната бария составляет 5,6 5,9 г/см3.

Титанат бария находит наиболее широкое применение эпоксидных компаундах электротехнического назначения, обладающих стабильными диэлектрическими свойствами при высокой диэлектрической проницаемости и низких диэлектрических потерях.

Ферриты

Основным продуктом для получения ферритов является оксид железа Fe2O3.

Другими компонентами, входящими в состав ферритов, являются оксиды или карбонаты цинка, марганца, стронция, свинца и других металлов, определяющие жесткость ферритов.

Плотность ферритов составляет величину 5 6 г/см3. Магнитные свойства зависят от состава феррита, условий получения и дефектности структуры (пористости).

Наноразмерные наполнители

В последние годы все более важную роль начинают играть наполнители с размером частиц от нескольких нанометров до десятков нанометров, применяющиеся для приготовления нанокомпозитов. Наиболее часто используются следующие типы наноразмерных наполнителей:

•Органоглины на основе монтмориллонита Montmorillonite organoclays (MMT)

•Углеродные нановолокна Carbon nanofibers (CNFs)

•Углеродные нанотрубки Carbon nanotubes [многостенные (MWNTs), тонкие (SDNTs),

иодностенные (SWNTs)]

•Нанооксид кремния (N silica)

•Нанооксид алюминия Nanoaluminum oxide (A12O3)

•Нанооксид титана (TiO2)

•Нанометаллические частицы

Непрерывные волокна и ткани

Для получения КМ с электрофизическими свойствами используются углеродные, металлические и композитные волокна.

20

Углеродные волокна

Уникальные свойства углеродных волокон предопределяют благоприятную перспективу их промышленного использования. Свойства углеродных волокон определяются видом исходного сырья, условиями получения, дополнительными специальными обработками и другими факторами.

Основные исходные материалы для получения углеродных волокон органические волокна (полиакрилонитрильные и гидратцеллюлозные). Углеродные волокна получаются из них специальной термической обработкой, при которой происходит окисление и карбонизация.

В зависимости от температуры обработки может меняться прочность и электрические свойства получаемых волокон.

Кроме этого происходят существенные изменения в характере распределения электронов в макромолекулах. Если исходные волокна представляют собой диэлектрики, то углеродные волокна это ярко выраженные проводники с электропроводностью на уровне 10 1 102 Ом1см1.

К замечательной особенности углеродных волокон относится их низкая плотность. Она составляет величину порядка 2 г/см3.

Металлические волокна

Промышленность выпускает широкий ассортимент металлических волокнистых наполнителей, способных удовлетворить любым требованиям, возникающим при изготовлении металлополимерных композиций.

Преимущества металлических волокон являются высокая электропроводность, ее однородность по длине и диаметру волокна, строго контролируемые форма поперечного сечения (которая может быть задана очень сложной) и размерами.

Недостатками металлических волокон являются высокие стоимость и плотность. Стоимость колеблется в среднем от 2 до 100 долларов за кг.

Свойства металлических волокон определяются как исходным материалом, так и технологией изготовления. Форма волокон, однородность их сечения, шероховатость поверхности и ее состав определяются технологией производства волокон, тогда как их химические, физические и механические свойства практически не отличаются от свойств исходного материала.

Для производства волокон помимо процессов волочения, применяемых в производстве проволоки в течение многих десятилетий, в настоящее время используются новые перспективные методы: нанесение металлов гальваническим способом или напыление металлов из паровой фазы на подложку, разложение неорганических соединений, формование из суспензии. С помощью обычных методов текстильной переработки из металлических волокон получают жгуты, пряжу, нити, нетканые материалы, плетеные и тканые изделия.

Композитные волокна

В последние годы все большее распространение получает метод модификации волокон путем введения в его состав значительных количеств минеральных наполнителей

Аналитический контроль качества титаната бария

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Министерствообразования Российской Федерации

Пермский государственныйуниверситет

Кафедра аналитическойхимии

Дипломная работа

Введение

Титанат бария являетсядиэлектрическим материалом, обладающимпьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическимисвойствами и большой диэлектрическойпроницаемостью.

Он применяется вконденсаторах электрических, впьезоэлектрических излучателях иприёмниках звука и УЗ, в качественелинейных элементов в оптическихсистемах, электронике и вычислительнойтехнике и т.д. В производстве керамическихконденсаторов и позисторов более 90%керамики составляет титанат бария.

В2000-м году объем продаж электроннойкерамики находился в США на уровне 11,5млрд. долларов, а в Японии на уровне 22,0млрд. долларов. Более 50%электронной керамики составляетконденсаторная керамика с её ежегоднымприростом в 10% в год, или 1,5 млрд. долларовСША.

Таким образом, для выпускаи целенаправленного применения титанатабария необходим контроль его качествакак на стадии производства, так ииспользования. Нами опробован для этойцели атомно-эмиссионный метод анализа.

1. Литературный обзор

1.1Способы получения

Вмировом промышленном производстветитаната бария существуют два принципиальноразличных способа синтеза [1] исходныхсоединений – термический синтез, т.е.

образование соединений в процессетвердофазной реакции при высокихтемпературах, и химический синтез, прикотором соединения образуются приреакциях в растворах, а затем влагаудаляется посредством прокалки,вымораживания и т.д.

Оба требуют высокихтемператур и характеризуются следующимипредельными возможностями: среднийразмер частиц материала 1-3 мкм, удельнаяповерхность порядка 1 кв.м/г, возможнаятолщина диэлектрика – 15 мкм, или,соответственно 0,7-1 мкм, 3 кв.м/г и 10 мкм.Предлагается процесс (с низкой температуройкристаллизации – всего 150 град.

При создании производства к установкебудет приниматься серийное оборудование,изготовленное промышленностью РФ.Полученный титанат бария позволитповысить удельную емкость конденсаторовна 30-40% и снизить температуру спеканияконденсаторной керамики. К методутермического синтеза относитсяпроизводство спека титаната бария.

Титанат бария синтезируют путем обжигасмеси карбоната бария и диоксида титана.В промышленном варианте синтез проводятво вращающихся печах, аналогичных поконструкции широко применяемым вцементном производстве. Схематехнологического процесса следующая.

Карбонат бария и диоксид титана смешиваютмокрым способом в шаровой мельнице,футерованной износостойкой резиной,высокоглиноземистыми мелющими телами.Одновременно со смешением происходитизмельчение – помол смеси.

Для ускоренияреакций, происходящих при синтезе, иснижения температуры синтеза необходимоприменять мелкодисперсное сырье, поэтомупредпочтительно использование диоксидатитана в кристаллической модификациианатаза, имеющего большую, чем рутил,дисперсность.

Размолотая смесь (шликер)сливается из шаровой мельницы в контейнер,где непрерывно перемешивается воизбежание расслоений. Из контейнерашликер мембранным насосом перекачиваетсяв расходный бачок, снабженный устройством,регулирующим постоянный уровень шликера.Отсюда шликер дозирующим насосомподается во вращающуюся печь. Впротивоположную часть печи подаетсятопливо (керосин), которое сгорает всмеси с воздухом. Вращающаяся печь имеетнекоторый наклон (4 к горизонту),поэтому шликер, подаваемый в загрузочнуючасть печи, постепенно движется навстречугорящему факелу керосина, проходяинтервал температур от комнатной домаксимальной температуры обжига.Вращение печи вокруг своей оси способствуетдвижению и перемешиванию обжигаемыхматериалов. Образование метатитанатабария по реакции

BaCO3+ TiO2BaTiO3+ CO2

y (BaO + TiO2)  y BaTiO3 + 160,5кал/г;

x (BaO2 + TiO2) x (BaTiO3 + 0,5O2) + 74,7 кал/г.

Соответствия состава иструктуры получаемых продуктов заданнымзначениям можно добиться рациональнымвыбором соотношения компонентов ирежима синтеза. Однако продукты получаютсягрубодисперсными и не имеют преимуществпротив термически синтезированныхсоединений; в то же время для метода СВСнеобходимо применять более дорогоесырье.

[1] Термический синтез не позволяетполучить титанат бария, обладающийнеобходимыми свойствами: гомогенностью,высокой степенью синтеза при сравнительноневысоких температурах, малым размеромчастиц. По данным разных авторов, такойспособ получения не обеспечивает такжевоспроизводимости свойств титанатабария от партии к партии.

Это можетобъясняться как нарушением стехиометриии загрязнением примесями во времяпомола, так и колебаниями степенидисперсности порошков. В связи с этимвнимание исследователей многих странбыло обращено на разработку новыхметодов синтеза титаната бария. Этиметоды относятся к химическим методамсинтеза.

В литературе описано нескольковариантов оксалатного метода получениятитаната бария, различающихся условиямивыделения из водных растворовтитанилоксалата бария и его термическогоразложения.

Титанилоксалат барияBaC2O4TiO(C2O4)· 4H2O,или BaTiO(C2O4)2· 4H2O,можно синтезировать взаимодействиемхлоридов бария и титана со щавелевойкислотой на холоду или при нагреваниидо 60 – 80º С.

В промышленных условияхтитанилоксалат бария производятсливанием растворов хлорида титана ибария с нагретым до 80ºС растворомщавелевой кислоты или путем вливанияраствора щавелевой кислоты в смесьхлоридов. Важное значение имеет режимтермообработки титанилоксалата.

Принагревании титанилоксалат бария сначалаобезвоживается при 200 – 300º С, затемпроисходит его разложение (700º С) собразованием промежуточных соединений,которые при 1000º С превращаются в BaTiO3.

режим прокалки оказывает решающеевлияние на дисперсность полученногопорошка: повышение температуры прокалкиприводит к спеканию частиц и уменьшениюудельной поверхности порошка от 3 – 4м2/г до 1 – 2 мг2/г. такой титанат барияиспользовался для выращиваниямонокристаллов [1].

Эти исследователиуказывают на возможность регулированияразмера частиц титаната бария путемпрокалки титанилоксалата бария приразных температурах: при 650º С получаются0,06÷0,1 мкм, при 825º С – 0,08÷0,15 мкм, при 975ºС – 0,15÷0,2 мкм, при 1150º С – 0,3÷0,5 мкм.

Однако, подчеркивая возможность полученияочень мелких частиц при низкихтемпературах, они не учитывают тот факт,что титанилоксалат бария полностьюразлагается и переходит в BaTiO3только при температурах выше 800º С, очем свидетельствуют многие работы поизучению механизма разложениятитанилоксалата бария.

Титанат барияможет быть получен также из другихсоединений бария и титана, выделенныхиз водных растворов. Так, Меркер прокалкойтитанилтартрата бария Ba[TiO(C2H4O6)2]при 600º С синтезировал порошок BaTiO3с частицами, проходящими через сито 100меш., пригодный для выращиваниямонокристаллов. Термическим разложениемпри 1000 – 1100º совместно осажденныхсоединений бария и титана, выделенныхиз растворов карбонатом аммония, полученBaTiO3с размером частиц менее 1 мкм. Керамикаиз такого титаната бария имеетдиэлектрическую проницаемость 1700 –2000, близкую к диэлектрической проницаемостиоксалатного BaTiO3.[2]Известен также способ синтеза титанатабария методом золь-гель. Этот способоснован на переводе свежеосажденныхсоединений (обычно гидроксидов) вколлоидное состояние. Для образованиязолей используют длительную пептизациюосадков в воде, кислотах, растворахсолей или электроионизацию (электродиализ).Удаление воды из золей с переводом ихв гели, а затем в сыпучие порошкипроводится сушкой или экстракцией водыорганическими растворителями споследующей прокалкой. Метод даетвозможность получать мелкодисперсныепорошки соединений заданного состава.Он может быть подразделен на дверазновидности: с использованиемнеорганических исходных материалов сиспользованием металлорганическихсоединений – алкоголятов (алкоксидныйсинтез).

По технологии с использованиемнеорганических веществ возможно получатьтитанаты щелочноземельных металлов;делались попытки получения твердыхрастворов соединений.

Для синтезатитаната бария к водному растворухлорида титана при непрерывномперемешивании добавляют водный растворосадителя (NH4OH,NaOHи др.) Затем к суспензии образующегосягидроксида добавляют при перемешиванииводный раствор, содержащий катионы Ba2+(в частности BaCl2).

Образующийся осадок фильтруют, промывают,высушивают и прокаливают. Процесс можетбыть выражен следующей схемой:

TiOCl2 · nH3O + Ba2+ + 2Cl- + 2NH4OH → y BaO · TiO2· nH3O + 2NH4Cl

Полученный после промывкии сушки порошок имеет высокую удельнуюповерхность, до 200 м2/г; величина Sудрезко уменьшается с повышением температурыи времени термообработки. УменьшенииSудпроисходит как за счет увеличенияразмера частиц, так и за счет образованияагломератов частиц.

[1] По современнымпредставлениям, высокая чистота,структура и субмикронная дисперсностьматериалов определяют электрофизическиепараметры и стабильность изделий на ихоснове. Наиболее перспективными длясинтеза подобных материалов являютсяметоды, основанные на химических реакцияхв жидкой фазе с выделением продуктовреакции в осадок.

Титанат барияявляется основой для большинствакерамических конденсаторных материалов.Технология алкоксидного синтеза включаетв себя следующие стадии: