摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料制備方法及性能測(cè)試

周　敏　何柄諭　蔡曉威　張　超

(蘇州紐艾之光凈化設(shè)備有限公司,蘇州 215513)

摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料制備方法及性能測(cè)試

周敏何柄諭蔡曉威張超

(蘇州紐艾之光凈化設(shè)備有限公司,蘇州 215513)

摘要:對(duì)于介質(zhì)阻擋放電的低溫等離子發(fā)生體材料不僅要求具備良好地介電性質(zhì)，而且要求具備良好地機(jī)械性能。本論文提出的摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的介電常數(shù)為82，介電損耗介電損耗(tanδ)為0.0062，斷裂韌性為6.2MPa·m1/2，在同類(lèi)材料里擁有良好的介電性質(zhì)和機(jī)械性能，因此其可以作為一種良好的介質(zhì)阻擋放電的低溫等離子發(fā)生體材料。

關(guān)鍵詞:電子陶瓷材料;ZrO2納米線(xiàn);CaTiO3陶瓷;低溫等離子

臭氧和低溫等離子體具有廣譜、高效的殺菌作用，可廣泛用于各種空氣、水、食品的消毒和污水處理。用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)制備臭氧和低溫等離子體是當(dāng)前國(guó)際上的最新技術(shù)。推動(dòng)介質(zhì)阻擋放電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于研究和制備以精密電子陶瓷為基體的發(fā)生體。

由于SrTiO3其具備較高的表觀介電常數(shù)以及介電損失低等特點(diǎn)，目前以SrTiO3為基底的電子陶瓷材料運(yùn)用于臭氧和低溫等離子體發(fā)生片生產(chǎn)領(lǐng)域。然而現(xiàn)有以SrTiO3為基底的電子陶瓷制成的臭氧發(fā)生器對(duì)生成臭氧的速率低，并且機(jī)械性能差，導(dǎo)致儀器的使用壽命短。摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷不僅具備更高的表觀介電常數(shù)而且具備更低介電損失等特點(diǎn)。介電常數(shù)的提高促進(jìn)了臭氧的生成速率的加快，而且納米ZrO2對(duì)材料具備良好的增韌作用，增加陶瓷材料的機(jī)械性能，延長(zhǎng)了使用壽命。

本文對(duì)摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的制備工藝及性能進(jìn)行研究和深入地分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：CaTiO3(分析純),SrTiO3(分析純),ZrO2(分析純),BaTiO3(分析純),TiO2(分析純),ZnO(分析純),Bi2O3(分析純)。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子分析天平(CP153，北京北方首衡電子科技有限公司)、電阻爐(YFX5/160-TC,上海意豐電爐有限公司)、交頻行星式球磨機(jī)(XQM-2型，南京科析實(shí)驗(yàn)儀器研究所)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DH-101，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司)、標(biāo)準(zhǔn)篩布(上虞市五星沖壓篩具廠(chǎng))。

1.2　配方與工藝流程

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的CaTiO3和19% SrTiO3的為基料，摻雜料ZrO2納米線(xiàn)，BaTiO3，TiO2，ZnO，Bi2O3的用量分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,1.3%,0.6%,1.4%,0.7%進(jìn)行配比。將配料放入瑪瑙罐內(nèi)，按料∶球∶酒精=1∶2∶1(質(zhì)量比)加入瑪瑙球及酒精，在球磨機(jī)上磨24 h。取出烘干，研細(xì)，加入3%的聚乙烯醇( PVA)溶液混勻，烘干，造粒(過(guò)200目篩)。在750 kPa下壓成內(nèi)徑0.8 mm，外徑1.2mm,長(zhǎng)度約40mm的毛細(xì)管。在電爐內(nèi)，按每小時(shí)上升兩百度的速度升溫，在800℃保溫排膠20min，然后升溫至1300℃，保溫?zé)Y(jié)5h后緩慢冷卻。在陶瓷毛細(xì)管兩面涂覆銀漿料，在820℃下燒結(jié)被銀。

2結(jié)果與討論

2.1　SEM

掃描電子顯微鏡(SEM)是研究樣品表面形貌的最重要的電子光學(xué)儀器之一,它有較高的分辨率,放大倍數(shù)可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)(100—2×103),并有較大的景深,適于對(duì)各種樣品的表面形貌觀察分析。摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的SEM圖如圖1所示。從圖中我們可以清晰地看見(jiàn)ZrO2納米線(xiàn)貫穿于陶瓷材料之間，起到納米纖維增韌的效果。

圖1 摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的SEM圖

2.2　介電常數(shù)與介電損耗

介電常數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)與真空中絕對(duì)介電常數(shù)乘積。坯料燒結(jié)后冷卻至室溫，對(duì)其進(jìn)行噴金處理，測(cè)其電容、厚度和電極直徑，計(jì)算介電系數(shù)。C=Q/U對(duì)圓形樣品推出介電系數(shù)的公式為：

ξ =14.4C×h/D2

C——電容(PF)

h——試樣厚度(cm)

D——電極直徑(cm)

介電損耗的問(wèn)題,實(shí)質(zhì)上就是研究能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。根據(jù)介質(zhì)理論中關(guān)于介電損耗的定義,是指電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)單位體積中,將電能轉(zhuǎn)化為熱能(以發(fā)熱形式)而消耗的能量。在一般的電介質(zhì)物理教科書(shū)中,或在實(shí)際工程應(yīng)用中,介電損耗通常用介質(zhì)損耗角的正切tanδ來(lái)表示的,因此研究介電損耗的重點(diǎn),就自然地集中于能表征電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中損耗特性的參數(shù)tanδ上。

測(cè)量得出，摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的介電常數(shù)與介電損耗如表1所示。

表1　摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的

3.3　斷裂韌性

實(shí)驗(yàn)采用單邊切口梁法(SENB)，在 Instron 5569電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成，跨距為 16mm，壓頭速率 0.05mm·min-1。試樣尺寸為2mm×4mm×22mm(寬×高×長(zhǎng))，切口深度為 2mm，寬為 0.2mm。測(cè)試結(jié)果為 6個(gè)試樣的平均值。斷裂韌性 KIC由下式計(jì)算：

式中

P——試樣斷裂時(shí)最大載荷，N；

L——試樣長(zhǎng)度，mm；

w——試樣寬度，mm；

h——試樣高度，mm；

a——試樣切口深度，mm。

Y表示為試樣的形狀因子。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料的繞曲強(qiáng)度與斷裂韌性如表2所示。

表2　陶瓷電極材料繞曲強(qiáng)度與斷裂韌性統(tǒng)計(jì)表

3總結(jié)

作為介質(zhì)阻擋放電的低溫等離子體發(fā)生材料不僅僅需要具備較好的介電性能，而且在交流電環(huán)境中，屬于電介質(zhì)的發(fā)生體材料會(huì)反復(fù)經(jīng)歷由電場(chǎng)變化形成的形變從而容易破損斷裂，因此對(duì)發(fā)生體材料的機(jī)械性能有較高的要求。

實(shí)驗(yàn)制得的摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料不僅具備較好的介電性質(zhì)，介電常數(shù)為82，介電損耗介電損耗(tanδ)為0.0062，而且具備較好的機(jī)械性能，斷裂韌性為6.2MPa·m1/2。這使得它作為低溫等離子發(fā)生體材料不僅能夠高效地產(chǎn)生低溫等離子體，并且通過(guò)納米線(xiàn)增韌的方式使得材料具備良好的斷裂韌性，擁有較好的機(jī)械性能。由此可見(jiàn)，摻雜ZrO2納米線(xiàn)的CaTiO3陶瓷電極材料是一種良好的低溫等離子發(fā)生體材料。

參考文獻(xiàn)

[1]李濤,BaTiO3電子陶瓷制備及性能測(cè)試[J],中國(guó)科技信息,2008(6):261-262.

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·信息·

我國(guó)陶瓷行業(yè)的私人定制前景

定制，這個(gè)一直以來(lái)被視為曲高和寡的設(shè)計(jì)模式，因?yàn)榈谝环蛉伺睇愭碌拇远兊脽o(wú)比親民起來(lái)。事實(shí)上，在個(gè)性化潮流的帶動(dòng)之下，定制模式已經(jīng)不僅僅是在時(shí)裝行業(yè)大行其道，陶瓷行業(yè)乃至地產(chǎn)都不乏定制的身影。從賀歲電影《私人訂制》的熱映到《爸爸去哪兒》的家庭娛樂(lè)紀(jì)實(shí)片的瘋狂傳播，一部部私人定制電影掀起了當(dāng)今時(shí)代的最強(qiáng)音符，通過(guò)各大數(shù)據(jù)分析定點(diǎn)后推送和利用大眾化的微信平臺(tái)傳播，涌起了一股私人定制的時(shí)代巨浪，私人定制不但走進(jìn)豪門(mén)大腕的視野，更是將許多堂而皇之的文化也轉(zhuǎn)移到私人地方、空間，所謂私人定制，不僅僅強(qiáng)調(diào)定制者的高貴，更說(shuō)明了背后的市場(chǎng)需求。例如家居空間——家給人一種歸屬感、安全感，是心靈休憩的港灣。正因?yàn)槿绱?，定制才有了靈魂，才有了市場(chǎng)需求。而且這不再是訂購(gòu)、制造這種簡(jiǎn)單的家具、建材、方案的堆砌拼接，而是制作出屬于自己獨(dú)一無(wú)二的居室，實(shí)現(xiàn)自己對(duì)家的夢(mèng)想。這些需求對(duì)于商家而言，帶來(lái)的將會(huì)是更多的機(jī)會(huì)和高利潤(rùn)；同時(shí)，對(duì)于私人定制者來(lái)說(shuō)，定制產(chǎn)品和服務(wù)可以滿(mǎn)足定制者的特殊需求。在他們看來(lái)，錢(qián)不是問(wèn)題，關(guān)鍵在于定制的稀缺性和獨(dú)特性，誰(shuí)不想擁有一片自己的個(gè)性化小天地？對(duì)于低關(guān)注度的陶瓷、衛(wèi)浴產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其實(shí)充滿(mǎn)諸多定制機(jī)會(huì)。眼下，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，消費(fèi)者在消費(fèi)中的個(gè)性化需求日益明顯，消費(fèi)進(jìn)入個(gè)性化時(shí)代。如今這股定制風(fēng)潮吹向陶衛(wèi)行業(yè)，定制性的陶衛(wèi)產(chǎn)品也逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。同時(shí)，伴隨著國(guó)內(nèi)80后、90后消費(fèi)群體的崛起，小規(guī)格仿古磚正好滿(mǎn)足其對(duì)求美、求新、求異的個(gè)性化裝修需求。因此，裝飾性更強(qiáng)，充滿(mǎn)個(gè)性化、時(shí)尚化的小規(guī)格仿古磚越來(lái)越受到年輕人的追捧，正逐漸成為年輕一代新的裝修主題。時(shí)代在變化，人們消費(fèi)心理不斷成熟，消費(fèi)者不再盲目地追趕潮流。而是越來(lái)越多的高端人士開(kāi)始關(guān)注私人定制，愛(ài)上私人定制，開(kāi)始追求自己獨(dú)特的時(shí)尚品位。在這種消費(fèi)個(gè)性化需求已經(jīng)形成的時(shí)代，新明珠一直在陶瓷行業(yè)的私人定制中匍匐前行，在滿(mǎn)足消費(fèi)者生理需求的同時(shí)激活消費(fèi)者的心理需求，抓緊個(gè)性化定制的市場(chǎng)發(fā)展機(jī)遇和繼續(xù)挖掘其具大的市場(chǎng)潛力。

ZrO2Doped Nanowires CaTiO3Ceramic Electrode Material Preparation and Performance Testing

Zhou MinHe BingyuCai XiaoweiZhang Chao

(Suzhou Niuai Light purification equipment Co., Ltd.Suzhou 215513)

Abstract:For the low-temperature dielectric barrier discharge plasma generating materials not only have good dielectric properties, and requires good mechanical properties. CaTiO3ceramic ZrO2doped nanowire electrode material dielectric constant in this thesis is 82, dielectric loss dielectric loss (tanδ) of 0.0062, the fracture toughness of 6.2MPa· m1 / 2, in the same material with good inside dielectric properties and mechanical properties, so it can serve as a good low-temperature dielectric barrier discharge plasma generating material.

Keywords:electronic ceramic materials;ZrO2nanowires;CaTiO3ceramic;low-temperature plasma

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.009