《毕业设计（论文）Ba2Ti9O20陶瓷流延浆料流变性能和流延成型研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）Ba2Ti9O20陶瓷流延浆料流变性能和流延成型研究.doc（37页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、Ba2Ti9O20陶瓷流延浆料流变性能和流延成型研究摘要Ba2Ti9O20是一种中介电微波介质陶瓷。随着微波通讯技术的迅速发展，微波介质陶瓷元器件趋于小型化，集成化。其结构也有传统的块状结构朝向独石结构发展。而流延成型技术在其陶瓷基片制备中发挥着不可取代的重要作用。本文主要对Ba2Ti9O20陶瓷流延浆料溶剂的种类、含量；分散剂种类、含量和球磨工艺进行了深入地研究。同时也对周围环境温度对浆料粘度的影响、流延成型各组分及坯体的热重和烧结后的微观结构进行了简单研究。最终得到了优化的非水基Ba2Ti9O20流延浆料配方并流延成型出致密度较高且无明显裂纹和其它缺陷的陶瓷薄片。实际上，最终沉降比、沉降速
2、率、粘度和流变性能等相关数据表明，最佳流延浆料由异丙醇和甲苯（体积比为75:25）组成的共沸混合溶剂、0.5wt%的分散剂磷酸三酯、54%wt的Ba2Ti9O20陶瓷粉体（100目筛下）、5wt%的粘结剂PVB和5wt%的塑性剂聚乙二醇组成。流延成型的陶瓷厚膜膜坯体干燥后无明显裂纹及其他缺陷，表面光滑，有一定的柔韧性和强度，并且陶瓷厚膜密度均一性好。温度和粘度曲线表明粘结剂PVB在流延浆料的性能受到温度的影响方面有着主导性作用。并且烧结后的陶瓷厚膜的微观结构和预期一致，致密，均匀。关键词：Ba2Ti9O20陶瓷，流变性能，流延成型，陶瓷薄片Study on the Rheological Pr
3、operties of Ba2Ti9O20 Ceramic Slurryand Tape CastingABSTRATBa2Ti9O20 is a kind of moderate-dielectric microwave dielectric ceramic.As the technology of microwave communication is developing fast, the microwave ceramic component tends to be smaller and integrated. Also its structure is being shifted
4、from the conventionally nubby shape to monolithic shape. While in the producing process of such component, the tape-casting-shaping method plays an indispensable role.There are two main kinds of tape casting now, water-based tape casting and organics-based tape casting. And organics-based tape casti
5、ng is wildly used in practical producing and theory research because its own many advantages. In this research, I mainly have a further study on choosing the best solvent system and its best composition, the best dispersing agent and its best concentration, and the suitable milling method for the sl
6、urry of Ba2Ti9O20 ceramic. At the same time, I also do some simple studies on the influence of ambient temperature on the properties of slurry, the decomposition of green tape and burnout of organic additives, the surface quality and strength of green tape, and the micro-structure of sintered cerami
7、c membrane.Eventually, a better composition of tape-casting slurry for Ba2Ti9O20 ceramic is obtained. And the produced ceramic membranes in lad are compact, have no visible cracks and other defects. Actually, the final height of sedimentation, sedimentation rate, viscosity, rheological behavior and
8、other relative datum show that the best composition of slurry for Ba2Ti9O20 ceramic is, 0.5wt% of dispersing agent, 54wt% of solid ceramic powders, 5wt% of binder, 5wt% of plasticizer and IPA-EtOH combined solvents(75:25). After being dried naturally, the tape cast ceramic membranes have no visible
9、cracks and other defects, but have enough flexibility and strength. The surface is smooth as well. The density is homogeneous. The curve for temperature and viscosity shows that the binder (PVB) dominates the dependence of viscosity on the ambient temperature. And the micro-structure of sintered cer
10、amic membranes is what was expected before，densified and homogeneous。KEY WORD：Ba2Ti9O20 ceramic，rheological behavior，tape cast，ceramic thin substrate 目 录第一章 绪论51.1 微波介质陶瓷概述51.1.1 微波介质陶瓷简述51.1.2 Ba2Ti9O20微波介质陶瓷介绍51.1.3 微波介质陶瓷的近况及发展51.2 陶瓷的流延成型61.2.1 流延成型定义61.2.2 陶瓷流延成型基本工艺61.2.3 非水基陶瓷流延研究现状71.2.4 非水基
11、陶瓷流延浆料组分分析81.3 课题研究的内容及目的10第二章 实验方案与过程122.1 实验原料和设备122.2 陶瓷粉体的制备132.3 溶剂体系的选择142.3.1 溶剂种类的选择142.3.2 选择最佳溶剂配比152.4 分散剂选择162.4.1 分散剂种类的选择162.4.2 分散剂最佳含量的选择172.5 环境温度对流延浆料粘度的影响182.6流延成型192.7 热重分析202.8 陶瓷厚膜的表面及内部结构研究20第三章 试验结果和分析223.1 溶剂体系选择223.1.1 溶剂种类选择223.1.2 混合溶剂最佳配比选择233.2 分散剂的选择253.2.1 分散剂种类选择253.
12、2.2 分散剂最佳含量选择273.3 温度对流延浆料粘度的影响283.4 陶瓷薄膜的表面质量303.5热重分析32结论34参考文献35致 谢37 第一章 绪论1.1 微波介质陶瓷概述1.1.1 微波介质陶瓷简述微波介质陶瓷是一种新型电子材料，应用于微波频段(主要是300MHz- 30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。它是谐振器、滤波器、介质导波回路等微波元器件的关键材料，在现代通信、卫星广播、无线电遥控等领域发挥着重要作用1。微波介质陶瓷制成的谐振器和金属空腔谐振器相比，具有体积小、重量轻、温度稳定性好、价格便宜等特点，已在移动通信、全球卫星定位系统(GPS)、直放站、
13、蓝牙技术、军事雷达以及无线局域网(WLAN)等领域获得了广泛的应用。可以根据相对介电常数的大小与使用频段的不同，将已被开发和正在开发的微波陶瓷分为低介高Q体系，中介中Q体系和高介低Q体系三大类。1.1.2 Ba2Ti9O20微波介质陶瓷介绍Ba2Ti9O20作为一种优秀的微波介质陶瓷，具有较高的介电常数、低介电损耗及很小共振频率温度系数，从而引起了人们的广泛关注。对于Ba2Ti9O20陶瓷材料的制备，目前最常见的方法是，传统的固相法制备Ba2Ti9O20粉体，以廉价的BaCO3和TiO2为原料。经过球磨混合后，在一定的温度下烧结反应，部分或者全部转变为Ba2Ti9O20相后，再成型，烧结。目前
14、对于Ba2Ti9O20陶瓷的研究主要集中在两个方面：多层陶瓷电容器材料研究和谐振器材料研究。但是这两种研究的主要参数是不一样的。把Ba2Ti9O20作为多层陶瓷电容器材料进行研究时，参数为介电常数r、损耗角正切值Tan、介电常数的温度系数ae、绝缘电阻Ruz。而作为谐振器材料来进行研究时，主要参数为介电常数r、谐振频率温度系数f、品质因数Q。Ba2Ti9O20其实属于中介电常数微波介质陶瓷，其介电常数在40左右.使用于较高频率下。因为在高频下它的介电损耗较低。主要运用在移动通讯基站、卫星通信等领域作为谐振器、振荡器和滤波器等。1.1.3 微波介质陶瓷的近况及发展随着微波技术的发展，现代移动通信
15、技术经过数字移动通信系统(global system for mobile communication，简称(GSM)、个人数字蜂窝系统(personal digital cellular，简称PDC)为代表的第二代通讯技术的发展，已经完成向码分多址(code division multiple access，简称CDMA)、第三代移动通信的更新换代。随着近年来移动通信和便携式终端正向着小型化、轻量化、集成化、多功能、高可靠性和低成本的方向发展，要求各种高频式微波电子元件体积更小，质量更轻。微波介质陶瓷作为制造这些器件的关键材料，其性能指标在很大程度上决定了微波通信器件与系统的性能与尺寸极限。
16、现在各种微型化、复合化、高频化、片式化、模块化的新型微波介质元器件应运而生，与新型元器件相关的微波介质陶瓷也取得了迅速发展，并朝着高介、高频、低温烧结等方向发展。目前，众多专家及工程技术界都认为，实现整机或系统集成的最佳方式是采用多芯片组件技术，而多层片式微波频率元件(包括谐振器、滤波器、介质天线及微波频段使用的片式陶瓷电容器等)是实现这一目的的有效途径。也就是把传统的块状结构微波介质陶瓷元器件转变为独石结构。为满足此要求，我们在利用LTCC技术的同时也必须要寻找和掌握适宜的成型方法，来高效地制备尺寸形状合适的陶瓷基片。而流延成型工艺就成为了其目前唯一的适宜成型方法。1.2 陶瓷的流延成型1.
17、2.1 流延成型定义流延成型（tape casting)，亦称Doctor blading或Knife coating是薄片材料成型的一种重要方法。该工艺最早由Glenn N. Howatt 提出并运用于陶瓷成型领域，并于1952年获得专利。陶瓷流延成型现在主要有非水基流延、水基流延、紫外引发聚合流延成型、凝胶流延成型。其中非水基流延成型是应用最广大，最具可行性的流延成型方法。流延成型包括浆料制备、球磨、成型、干燥、剥离基带等过程。该成型方法的特点是设备简单、工艺稳定、可连续操作、生产效率高、可以实现高度自动化。流延成型主要用于成型大型薄板陶瓷和金属件。而这类材料是不可能或者很难通过压制或挤压
18、的方式来成型。但是通过流延成型技术可以容易地成型出各种尺寸和形状的陶瓷薄板坯体，并且还可以轻松地保证陶瓷薄板坯体的质量。目前已经有流延机能够成型出3m的产品。同时也有学者表明在一般的流延机机上已可以流延出12m-3mm的薄膜。1.2.2 陶瓷流延成型基本工艺流延成型工艺包括浆料制备、球磨、成型、干燥、剥离基带等过程。该工艺的特点是设备简单,工艺稳定,可连续操作,生产效率高,可实现高度自动化。通常,流延成型的具体工艺过程是将陶瓷粉末与有机结合剂、增塑剂、悬浮剂、润湿剂等添加剂在有机溶剂中混合,形成均匀稳定悬浮的浆料。成型时浆料从料斗下部流至基带之上,通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜,坯膜的厚度由
19、刮刀控制。将坯膜连同基带一起送入烘干室,溶剂蒸发,有机结合剂在陶瓷颗粒间形成网络结构,形成具有一定强度和柔韧性的坯片,干燥的坯片连同基带一起卷轴待用。在储存过程中使残留溶剂分布均匀,消除湿度梯度。然后可按所需形状切割、冲片或打孔。最后经过烧结得到成品。流延成型的主要优点是适于成型大型薄板陶瓷或金属部件。这类部件几乎不可能或很难通过压制或挤制成型,而通过流延成型制造各种尺寸和形状的坯体则是十分容易的,而且可以保证坯体质量。非水基陶瓷流延成型基本工艺流程图如下：陶瓷粉体的制备陶瓷粉体、溶剂、分散剂混和球磨加入粘结剂、塑性剂、除泡剂等球磨排胶烧结真空除泡流延成型干燥图1-1 非水基陶瓷流延成型基本工
20、艺流程图1.2.3 非水基陶瓷流延研究现状 由于流延成型的诸多优点被越来越广泛地被意识到，目前它的应用领域也日益广泛。但是总体而言，国内在流延浆料性能方面的研究还是相对落后的，并且在研究过程中测定的参数指标少而缺乏新意。K G Vasantha Kumari等人6 对能够被广泛运用在固体氧化物燃料电池、P氧敏元件等多领域的先进陶瓷Y-SZ的流延浆料的性能进行了深入研究。在溶剂体系的选择方面，他们同样也是测试了浆料的沉降速率和最终沉降比。但是在分散剂的选择方面，他们除了对浆料的沉降速率、沉降比和粘度与剪切速率之间关系进行研究之外，还对分散剂含量对于浆料的屈服应力进行了研究。从而能够更加明确更加确
21、切地选择分散剂种类和最佳含量。除此之外，他们对没有加入塑化剂之前和加入塑化剂之后浆料的剪切速率和粘度的关系进行了对比研究，从而直白地反映出塑化剂在流延浆料中的具体作用。A. Seal，D.Chattopadhyay等5更是运用了较多更有效更新颖的参数指标来表征流延浆料的性能。在研究分散剂对于流延浆料性能的影响时，他们使用电泳流动性（Electrophoretic Mobility）来表征。在国内的相关文章中还未有见到类似研究方法。同时为了更好的解释分散剂的作用机理，他们对含有不同量分散剂的流延浆料的剪切速率常数进行了测定。这一点也只有在国外相关研究中见到。其实，温度对于流延浆料性能影响是十分显
22、著的。目前国内外对于此项研究也是日益重视。A.Seal等人 5专门对温度对流延浆料性能影响进行了深入系统地研究。最终发现粘结剂（PVB）在流延浆料性能受温度影响方面发挥着至关重要的作用。而国内的研究主要侧重于温度对流延浆料粘度的影响，但是在为什么方面还没有太大进展。其实是不是在所有的流延浆料中粘结剂都在其性能与温度的关系上扮演重要角色还不确定，国内外在此方面系统的研究都比较匮乏。 其实，目前国内外对流延浆料的性能研究还大多数放在流延成型之前。综合考虑整个流延成型工艺，这是不太合理的。当然也有一些文章涉及到了流延成型后坯体甚至陶瓷基片的性能研究，从而很好地从侧面反应流延浆料的性能好坏。Pavel
23、 Vozdecky等人4对于素坯的致密度、抗折强度、膨胀系数、弯曲度、气孔率以及烧结过程中温度对陶瓷基片的微观结构都进行了详细地研究。国内外目前对于流延浆料性能的研究多选择压电陶瓷体系，如张光对PNN-PZT陶瓷流延浆料流变性能的研究和刘岩对流延成型制备NBT基无铅压电织构陶瓷的研究。功能梯度陶瓷领域，如张大千对梯度材料PZT流延成型的研究等。但是在微波介质陶瓷领域的流延浆料的性能研究方面还相当匮乏，目前所能看到的唯一一篇文章是我们课题组于2011年发表的一篇对于添加BCB助烧剂的CLST陶瓷流延浆料流变性能研究的文章。而在Ba2Ti9O20方面的相关研究也同样是一片空白。1.2.4 非水基陶
24、瓷流延浆料组分分析非水基陶瓷流延浆料组分主要有陶瓷颗粒、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂，不过有时候根据实际需要还会加入除泡剂或润湿剂等有机添加剂。溶剂在流延浆料中的作用主要是溶解其他有机添加剂，当然也有一定的分散陶瓷颗粒的作用。在选择溶剂的时候应该注意一下几点：1,它必须能够溶剂添加剂的成分，如分散剂、粘结剂和增塑剂；2,在浆料中能够保持化学稳定性，不与浆料发生化学反应；3,易于挥发、烧除后不留下有害物质；4,使用安全卫生和对环境污染少。目前在非水基流延成型中多用两种或者更多种共沸有机试剂组成的混合溶剂。如乙醇和甲苯，异丙醇和二甲苯等。分散剂的作用就是充分分散陶瓷颗粒，使得流延浆料成为颗粒分布均
25、匀单一的悬浮液。粉料在流延浆料中的分散均匀性直接影响着素坯膜的质量，从而影响材料的致密度、气孔率和力学性能等一行列特性。流延法制膜中常用的分散剂有非离子、阴离子、阳离子和两性离子4中类型。一般来说，阴离子表面活性剂主要用于颗粒表面带正电的中性或弱碱性浆料，而阳离子型表面活性剂主要用于颗粒表面带负电的中性或弱碱性浆料。Mikeska等通过对70中商用分散剂分散效果的实验研究表明，磷酸酯、乙氧基化合物和鲱鱼油在陶瓷粉料浆液中的分散效果最佳。其中前面2中是阴离子型表面活性，而鲱鱼油不属于表面活性剂。为了与基板材料分离和拿放方便，流延膜必须具有一定的强度、韧性和延展性。为此，在料浆中须加入粘结剂和塑性
26、剂。选择粘结剂应考虑的因素有：a，素胚膜的厚度；b，所选溶剂类型及匹配性，有利于溶剂挥发和不产生起泡；c，应易烧除，不留有残余物；d，要有较低的塑性转变温度，以确保在室温下不发生凝结；e，考虑所用基板材料的性质，要不相粘结和易于分离。粘结剂按起作用的官能团类型分为非离子、阴离子和阳离子3类。在流延工艺中使用最多的是阴离子与非离子型的粘结剂，主要有乙烯基与丙烯基2类。在非水基浆料中常用的粘结剂有PVB，聚丙烯酸甲酯和乙基纤维素等。塑性剂在浆料中的主要作用是降低粘结剂的塑限温度Tg，使Tg达到室温或室温以下，从而确保粘结剂在室温时具有好的流动性和不发生凝结。另外，塑性剂对粉体颗粒还起到润滑和桥联作
27、用，有利于浆料的分散稳定，但是加入塑性剂会使得素胚膜的强度降低。最常用的塑性剂有聚乙二醇、邻苯二甲酸脂、乙二醇等，他们对于浆料流变性能的影响作用不甚相同。邻苯二甲酸酯能润滑粉体颗粒，降低浆料粘度，而聚乙二醇则在粉体颗粒间形成有机桥，能增加浆料的粘度。非水基流延成型流延浆料常用试剂如下表所示： 表 1-2 非水基流延浆料常用试剂溶剂粘结剂丙酮苯溴氯甲烷乙酰丙酮丁醇乙醇丙醇甲基异丁基甲酮甲苯三氯乙烯二甲苯乙酸丁酸纤维素丁酸盐硝酸纤维素石油树脂聚乙烯聚丙烯酸酯聚甲基丙烯酸甲酯聚乙烯醇聚乙烯醇缩丁醛氯乙烯聚甲基丙烯酸酯乙基纤维素非生物酸树脂塑化剂分散剂湿润剂酞酸丁苄酯酞酸二丁酯硬脂酸丁酯邻苯二甲酸二甲
28、酯松香酸甲酯 邻苯二甲酸酯类化合物脂肪酸鱼油合成表面活性剂油溶的磺酸盐以油酸环氧乙烷加成物三油酸山梨坦磷酸酯硬脂酸酰胺环氧乙烷加成物 鲱鱼鱼油自然沙丁鱼油辛二烯烷基芳基磺酸聚醚醇对聚乙二醇乙醚乙二醇醚聚氧化乙烯酯酸甘油三油精酸丙三醇酸甘油1.3 课题研究的内容及目的为了能够流延出平滑无缺陷并符合尺寸形状要求的陶瓷厚膜，首先要配置出优化的流延浆料。因此选择何种溶剂，如何选择共沸混合溶剂之间的配比，选择何种分散剂，如何选择分散剂的最佳含量等配方问题至关重要。因此研究内容的第一部分就是确定Ba2Ti9O20非水基流延浆料的最佳共沸混合溶剂体系以及其中各组分的最佳配比、分散剂的种类及最佳含量。但是目前
29、在国外很多相关文章中可以看到温度对于陶瓷流延浆料粘度的影响是不容忽略的。因此在流延成型中我们必须对周围环境温度进行一定的控制。否则很难能够流延出合格的陶瓷薄片。因此研究内容的第二部分就是对温度和Ba2Ti9O20流延浆料粘度之间的关系进行研究。在配置流延浆料的过程中，加入了很多有机物，即分散剂、粘结剂和塑性剂等。因此在坯体烧制过程中必须要把它们排除掉。所以在烧结之前必须知道这些有机添加剂的挥发制度。那么第三个研究内容就是分散剂、粘结剂和塑性剂的挥发制度。另外，还要对流延出的陶瓷厚膜坯体的表面质量进行研究。最后，采用SEM对烧结后的陶瓷厚膜进行微观结构分析。在各个试验过程中，不断地对Ba2Ti9
30、O20陶瓷流延浆料的制备工艺流程进行改进优化。最终探索出最佳Ba2Ti9O20陶瓷流延成型总体工艺流程。本研究的目的就是制定出最佳的Ba2Ti9O20陶瓷流延成型的浆料的配制方案，优化浆料制备工艺和陶瓷片的流延工艺以及制定Ba2Ti9O20陶瓷薄膜的烧结制第二章 实验方案与过程2.1 试验原料和设备表2-1 实验用药品名称分子量纯度生产厂家TiO279.8898%国药集团化学试剂有限公司BaCO3197.2499%国药集团上海化学试剂有限公司乙醇46.0799.7%烟台市双双化学试剂有限公司甲苯92.1499.5&洛阳昊华化学试剂有限公司二甲苯106.1799.%天津市风船化学试剂科技有限公司
31、异丙醇60.1099.7%天津市科密欧化学试剂有限公司磷酸三丁酯266.3299.5%洛阳市化学试剂厂蓖麻油天津市化学试剂三厂聚乙二醇4000天津市标准科技有限公司聚乙烯醇缩丁醛99.9%济南薄隆化工有限公司表2-2 实验所用主要仪器仪器名称生产厂家NDJ-79型旋转粘度计上海昌吉地质仪器有限公司DHG9023A型 电热恒温鼓风干燥箱浙江新丰医疗器械有限公司SX2-12-17箱式电阻炉湘潭市中山仪器厂KQ600DB型数控超声清洗器昆山市超声仪器有限公司分析天平上海上平仪器公司100目标准筛 上虞市试验仪器厂KM-10型快速研磨机中国湖南省湘潭市中山仪器厂YA-ZD型不锈钢电热蒸馏器上海路达试验
32、仪器有限公司2.2 陶瓷粉体的制备按照BaCO3：Ti02为2:9进行称料。当然在称料之前一定要先根据原料的具体纯度进行适当计算。表2-3 Ba2Ti9O20配料表成分BaCO3TiO2分子量197.33879.898mol比29质量比1601.4400665.0280质量百分比35.44%64.56%各成分纯度0.990.98配料实际质量32.9406122417.8971172粉体制备具体工艺流程如下：混料预烧研磨过筛研磨球磨干燥图2-4 Ba2Ti9O20粉体制备流程图在混料工艺中，先把称量好的一定量的BaCO3和TiO2放入洁净干燥的呢绒球磨罐中。随后加入酒精，其重量是原料质量的1.5
33、倍。最后再加入ZrO2材质的研磨球，作为球磨介质，其重量是原料质量的2倍。球磨在快速研磨机上完成，球磨时间为45min。球磨好的料是放在电热恒温鼓风干燥箱内进行24h干燥，干燥温度为100，确保球磨前加入的酒精全部挥发。干燥后，由于酒精的挥发，粉体出现严重的结块现象。但是很容易破碎。为了在预烧时颗粒间有着足够大的接触面积，干燥后的原料要在研钵中被压碎。预烧过程中，原料放在刚玉质罐中。预烧制度为：直接把温度由室温升高至1150（每分钟升温5），并保温4h，而后随炉冷至室温。由于在流延浆料中所用的颗粒粒径较小，因此预烧后的料要过100目筛，后续试验使用其筛下料。2.3 溶剂体系的选择2.3.1 溶
34、剂种类的选择试验初，待选溶剂体系有两组，为平行试验组别。一组为异丙醇（IPA）和甲苯(Tol)，另一组为异丙醇（IPA）和二甲苯（Xyl）。为了研究方面，在溶剂选择过程中固含量较低。但是固含量的高低不会影响溶剂种类的选择结果。溶剂的含量为70wt%，Ba2Ti9O20陶瓷颗粒含量为30%。在混合溶剂中，两种组分的体积比为1:1。 试验过程中，先用分析天平称取一定重量的Ba2Ti9O20陶瓷粉体。随后放在刷洗干净并吹干的呢绒球磨罐中。然后再放入清洗干净并干燥的作为球磨介质的ZrO2球。球的重量为球磨粉体质量的2倍。接着依次用量筒量取一定量的溶剂并慢慢倒入球磨罐中，在此过程中，用一只手轻轻摇动球磨
35、罐。然后把球磨罐放入超声波发生器中处理10min。随后放在快速研磨机上球磨45min。球磨完成后，尽快地用一次性滴管把悬浮液移入之前准备好的洁净干燥的带有木塞的10ml量筒中，并开始静置。在起初的一个小时内，每五分记录沉降高度一次。由于刚开始没有清夜和沉降部分的明显界限，所以记录为10ml。一小时过去后，把装有浆料的量筒放在恒温箱内并静置一个星期。随后记录浆料沉降一星期后的最终沉降高度。具体试验流程图如下：超声波处理10min快速球磨45min取10ml浆料IPA-tol（50:50）(50:50)IPA-xyl (50:50)移入10ml配有木塞的量筒中记录沉降高度图2-5 溶剂种类选择试验
36、流程2.3.2 选择最佳溶剂配比通过2.3.1的试验，可以得到一种较好的溶剂体系类型。然而在2.3.1中每一体系中的两种溶剂的体积比均为1:1，这不一定会取得最好的分散和溶解效果。因此在进行下一步试验之前，必须要清楚所选混合溶剂体系中两种成分的最佳体积比。因此有另外两个配比需要设计，再加上现有配比，即有三个溶剂体积比。最后选出最佳的。它们分别是：50:50、35:65和75:25.因此在2.3.2中将有4组对别试验。试验过程中，先用分析天平称取一定重量的Ba2Ti9O20陶瓷粉体。随后放在刷洗干净并吹干的呢绒球磨罐中。然后再放入清洗干净并干燥的作为球磨介质的ZrO2球。球的重量为球磨粉体质量的
37、2倍。接着依次用量筒量取一定量的溶剂并慢慢倒入球磨罐中，在此过程中，用一只手轻轻摇动球磨罐。然后把球磨罐放入超声波发生器中处理10min。随后放在快速研磨机上球磨45min。球磨完成后，尽快地用一次性滴管把悬浮液移入之前准备好的洁净干燥的带有木塞的10ml量筒中，并开始静置。在起初的一个小时内，每五分记录沉降高度一次。由于刚开始没有清夜和沉降部分的明显界限，所以记录为10ml。一小时过去后，把装有浆料的量筒放在恒温箱内并静置一个星期。随后记录浆料沉降一星期后的最终沉降高度。具体试验流程如下图所示：超声波处理10min快速球磨45min取10ml浆料IPA-tol（35:65）(50:50)IP
38、A-xyl (75:25)移入10ml配有木塞的量筒中记录沉降高度图2-5 溶剂配比选择试验流程2.4 分散剂选择2.4.1 分散剂种类的选择分散剂在陶瓷粉体的流延浆料中发挥着不可取代的作用。因为不同种类的分散剂分散机理的不同，所以对于不同的陶瓷粉体它们有着不同的分散效果。因而要想得到理想的Ba2Ti9O20陶瓷流延浆料，必须要对分散剂的种类进行研究和选择。分散剂的分散机理有两种，一是静电分散机理，一是空间位阻分散机理。因此在本实验中设计了两组对别试验，一是蓖麻油(castor oil)为分散剂（其分散机理主要是空间位阻分散机理），一是磷酸三丁酯（TBP）（其分散机理主要是静电排斥分散机理）。
39、因此在2.4.1中有两组对别试验。分散剂的含量均为0.5wt%，固含量为30wt%，溶剂含量为69.5wt%。具体试验流程如下图所示：IPA-tol陶瓷粉体快速球磨10min磷酸三丁酯蓖麻油快速球磨45min测量并记录沉降超声波处理10min图2-6 分散剂种类选择试验流程2.4.2 分散剂最佳含量的选择 通过分散剂的分散机理不难知道，分散剂在浆料中的分散效果并不是与其在浆料中的含量成正比的。只要当分散剂的含量正好能够满足在所有颗粒的表面形成一层包覆层时，它的分散效果才能够达到最好，当然也属于理想状态。不过通过调整分散剂的含量可以无限接近于这个分散效果最佳的理想状态。在2.4.1中分散剂的含量
40、均为0.5%，不一定是最佳的分散剂含量。因此为了得到最佳的分散剂含量，在2.4.2中再设计其它4个含量。因此将有五个分散剂的含量进行分别是：0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%。所以在2.4.2中将有四组对别实验。其实连同2.3.2中一组对比试验（分散剂含量为0.0%）和2.4.1中的一组（0.5%），一共有六个分散剂含量。因此，选择出最佳的分散剂含量和后续试验所用浆料是不难的。其实根据很多文献可以初步推断出分散剂的含量在0.5wt%-0.75wt%之间。随后在异丙醇和甲苯为溶剂的悬浮液中选出一分散剂最佳含量。2.4.2中的具体试验流程如下图所示：异丙醇&甲苯(75:25)1wt%
41、的蓖麻油3wt%的蓖麻油7wt%的蓖麻油9wt%的蓖麻油测量粘度超声波处理十分钟快速球磨10min快速球磨45min沉降试验陶瓷粉体颗粒图2-6 分散剂最佳含量选择试验流程2.5 环境温度对流延浆料粘度的影响 就目前来说，关于温度对流延浆料粘度的相关研究很少，并且大多数出现在国外。其实温度对于流延浆料的影响是相当大的。在2.5中将要设计九个温度点，分别为20、25、30、35、40、45、50、55、60。运用NDJ-79测量流延浆料的粘度，在测量过程中对粘度计通恒温水，以保证流延浆料在一个设定的恒温环境中。经过粘度计一定时间的平衡稳定后，记录下相应温度点处的流延浆料粘度。但是有国外相关文献反
42、应，粘结剂在浆料粘度受温度影响方面发挥着主导作用。因此在2.5中设计了两种不同的浆料，一种为标准浆料，一种为不含有粘结剂的浆料。从而在2.5中将会有9组对别数据。在实验过程中，还要对浆料的制备研磨工艺进行研究和适当的调整。从而能够得出较为理想的流延浆料。在此试验中，流延浆料的具体配方如下表所示：表2-7 Ba2Ti9O20流延浆料粘度与温度研究实验配方成分含量Ba2Ti9O20IPATol蓖麻油PVB聚乙二醇160wt%29.25wt%10.75wt%0.5wt%5wt%5wt%260wt%29.25wt%10.75wt%0.5wt%05wt%优化后的具体试验流程如下图所示：混料超声波处理10
43、min超声波处理10min快速球磨10min快速球磨10min快速球磨30min快速球磨30min20恒温水25恒温水30恒温水35恒温水40恒温水45恒温水50恒温水55恒温水60恒温水NDJ-79 第测量单元测量筒NDJ-79 第测量单元测量筒快速球磨30min快速球磨30min混料Ba2Ti9O20异丙醇甲苯蓖麻油聚乙烯缩丁醛聚乙二醇图2-8 温度-浆料粘度试验流程图2.6流延成型经过以上的研究后，得出Ba2Ti9O20陶瓷流延成型的最佳方案。流延浆料的配备如下表所示：表2-9 标准流延浆料配方（优化）Ba2Ti9O20异丙醇甲苯蓖麻油PVB聚乙二醇54.3wt%26.5wt%9.7wt
44、%0.5wt%4.5wt%4.5wt%具体优化后的流延成型工艺流程如下图所示：Ba2Ti9O20陶瓷粉体异丙醇和甲苯超声波处理10min快速球磨10min快速球磨30min蓖麻油快速球磨30minPVB聚乙二醇真空除泡流延成型图2-10 优化后的流延成型工艺流程2.7 热重分析由于在流延出的陶瓷薄膜烧结时有一个排胶过程，因此在制定陶瓷烧结制度时必须要先制定排胶制度。只有这样才能够保证在烧结过程中所有的有机添加剂都能够排除尽。分别取少量的蓖麻油、聚乙烯缩丁醛、聚乙二醇和一小块流延出并干燥好了的陶瓷薄膜。然后分别进行热重分析。温度均由室温升到700，升温速率为每分钟5.2.8 陶瓷厚膜的表面及内部
45、结构研究流延膜干燥后表面常见缺陷有以及解决方案有：气孔，溶剂挥发留下的空洞。2，干燥开裂，粘结剂量少，需要提高粘结剂的量；膜脆，折叠时会断裂，增塑剂量不够；膜表面不平，主要是浆料粘度高，要降低粘度。为了防止素坯膜在干燥过程中开裂，我们严格控制溶剂的蒸发速率，使其适中。而具体措施如下：a，保持一定溶剂蒸汽压；b，控制室内空气流动速率；c，保持恒定室温。同时还要控制素坯的厚度，素坯太厚则膜的上下表面不易同时干燥，容易出现裂纹，素坯膜太薄则溶剂挥发速率过快，膜会在很短的时间内干燥，膜强度低，与衬底剥落时容易破碎。严格来说，在对流延出的陶瓷薄膜进行表面研究时，需要对孔隙率、裂纹程度、弯曲度、平整度、韧性以及抗折强度进行一定程度的定量分析。然而限于目前实验室在这些方面条件的极度有限，只能够对陶瓷薄膜表面进行十分简单的定性研究。但是，这些定性的研究也能够在一定程度上很好的反应出陶瓷薄膜的表面质量。 2.7中的表面研究主要分为两个方面，一是刚刚流延出还未有干燥的陶瓷薄膜表面的裂纹、气泡情况；一是已经自然干燥两周的陶瓷薄膜的表面裂纹、弯曲程度、平程度和韧性。同时还对坯体的密度均一性进行定性分析。 最后，对于表面质量较好的陶瓷厚膜进行烧结，随后用SEM进行内部微观结构分析。 第三章 试验结果和分析3.1 溶剂体系选择
