一种大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法

摘要

本发明公开了一种二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法。BaTiO3粉末和TiO2粉末按摩尔比1:1混合烘干后用压片机压片；将压片放入电弧熔炼设备进行熔炼得到块体；然后破碎得到粒径10微米以下的二钛酸钡粉体；将粉体放入石墨模具然后移入FCT电场活化烧结炉中，施加40-60MPa的轴向压力并以95-105℃/min的升温速率升至1100℃，然后以8-12℃/min升温至1150℃，保温20-30min，降温、卸除压力并随炉冷却，最终得到物相为BaTi2O5、致密度为90％-95％的二钛酸钡陶瓷靶材。与现有BaTi2O5靶材制备方法相比烧结时间短、尺寸大、致密度高。

权利要求

1.一种大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)BaTiO3粉末和TiO2粉末，按摩尔比1:1混合，加入无水乙醇球磨得到混合原料，烘干后用压片机压片；然后将压片放入电弧熔炼设备中在氩气氛围保护下进行熔炼得到块体；

2)将块体球磨破碎，得到粒径10微米以下的二钛酸钡粉体；

3)将粉体放入石墨模具然后移入FCT电场活化烧结炉中，施加40-60MPa的轴向压力并以95-105℃/min的升温速率升至1100℃，然后以8-12℃/min升温至1150℃，保温

20-30min，降温、卸除压力并随炉冷却，最终得到物相为BaTi2O5、致密度为90％-95％的二钛酸钡陶瓷靶材。

2.如权利要求1所述大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，其特征在于步骤1)中氩气氛围保护下熔炼过程重复5次。

3.如权利要求1所述大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，其特征在于步骤2)中高能球磨10小时。

4.如权利要求1所述大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，其特征在于步骤3)FCT电场活化烧结炉中以100℃/min的升温速率升至1100℃，然后以10℃/min升温至

1150℃。

5.如权利要求1所述大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，其特征在于步骤3)所述石墨模具直径为50-80mm。

说明书

一种大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法。

背景技术

[0002] 铁电薄膜具有良好的介电、压电、铁电、热释电、光电及非线性光学等特性，在微电子、光电子、集成光学和微电子机械系统等领域有着广泛的应用。由于目前使用的铁电薄膜材料多为锆钛酸铅，在制备、使用和废弃后不可避免地会给环境和人类健康带来危害。为此，无铅、与环境友好的铁电薄膜发展迅速。二钛酸钡(BaTi2O5)就是一种新型的无铅铁电材料。

[0003] 脉冲激光沉积、磁控溅射等物理沉积方法是制备二钛酸钡薄膜的有效手段，而这些沉积技术都需要物相单一、高致密度、大尺寸的二钛酸钡陶瓷靶材作为沉积二钛酸钡薄膜的靶源。但是，二钛酸钡是一种介稳相，当其从合成温度缓慢冷却到室温的过程中极易分解成BaTiO3和Ba6Ti17O4等。人们逐渐开发出溶胶-凝胶(Sol-gel)、水热合成(Hydrothermal reaction)、急冷(Rapid cooling)和区溶(Floating zone)等方法，有效解决了二钛酸钡的物相分解问题，合成出了二钛酸钡粉体。采用浮熔或快冷方法可获得二钛酸钡块体单晶，但单晶尺寸有限，不适宜直接作为沉积二钛酸钡薄膜的靶材使用。采用微米粉体热压烧结制备出了额致密度最高达90％的二钛酸钡陶瓷靶材(ZL201010123047)，但样品的致密度不高，并且样品尺寸仅为20-50mm。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种物相单一、致密度高、尺寸大的二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法。

[0005] 一种大尺寸致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备方法，包括以下步骤：

[0006] 1)BaTiO3粉末和TiO2粉末，按摩尔比1:1混合，加入无水乙醇球磨得到混合原料，烘干后用压片机压片，将压片放入电弧熔炼设备中在氩气氛围保护下进行熔炼得到块体；；

[0007] 2)将块体球磨破碎，得到粒径10微米以下的二钛酸钡粉体；

[0008] 3)将粉体放入石墨模具然后移入FCT电场活化烧结炉中，施加40-60MPa的轴向压力并以95-105℃/min的升温速率升至1100℃，然后以8-12℃/min升温至1150℃，保温20-30min，降温、卸除压力并随炉冷却，最终得到物相为BaTi2O5、致密度为90％-95％的二钛酸钡陶瓷靶材。

[0009] 按上述方案，步骤1)中氩气氛围保护下熔炼过程重复5次。

[0010] 按上述方案，步骤2)中高能球磨10小时。

[0011] 按上述方案，步骤3)FCT电场活化烧结炉中以100℃/min的升温速率升至1100℃，然后以10℃/min升温至1150℃。

[0012] 按上述方案，步骤3)所述石墨模具直径为50-80mm。

[0013] 本发明的有益效果在于：

[0014] 与现有BaTi2O5靶材制备方法相比烧结时间短、尺寸大、致密度高。采用本发明工艺步骤得到的BaTi2O5靶材可以避免BaTi2O5的分解，得到靶材物相单一，纯度高。

附图说明

[0015] 图1：实施例1步骤2)所得粉体的XRD图；

[0016] 图2：实施例1步骤2)所得粉体的SEM图；

[0017] 图3：为实施例1所得产品靶材XRD图；

[0018] 图4：为实施例2所得产品靶材XRD图。

具体实施方式

[0019] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

[0020] 大尺寸、致密二钛酸钡陶瓷靶材的制备过程如下：

[0021] 1)BaTiO3粉末和TiO2粉末，按摩尔比1:1混合，加入无水乙醇球磨得到混合原料，烘干后用压片机压片；

[0022] 2)将压片放入电弧熔炼设备中在氩气氛围保护下进行熔炼得到块体；然后将块体球磨破碎，得到粒径10微米以下的二钛酸钡粉体；

[0023] 3)将粉体放入石墨模具然后移入FCT电场活化烧结炉中，施加40-60MPa的轴向压力并以95-105℃/min的升温速率升至1100℃，然后以8-12℃/min升温至1150℃，保温20-30min，降温、卸除压力并随炉冷却，最终得到物相为BaTi2O5、致密度为90％-95％的二钛酸钡陶瓷靶材。本方法烧结时间短，得到的二钛酸钡陶瓷靶材尺寸大、致密度高。(阿基米德排水法测定样品密度，然后与二钛酸钡理论密度比较得出致密度)

[0024] 步骤1)中氩气氛围保护下熔炼过程重复5次，得到成分均匀的二钛酸钡。

[0025] 步骤2)中高能球磨10小时。保证粉体粒径细小，尺寸在10微米以下。

[0026] 步骤3)FCT电场活化烧结炉中以100℃/min的升温速率升至1100℃，然后以10℃/min升温至1150℃。前期适当的升温速率可以提高材料的烧结，有利于致密度的提高，后期降低升温速率，可避免温度超温，使二钛酸钡发生分解。

[0027] 步骤3)所述石墨模具直径为50-80mm。得到尺寸大，可以满足磁控溅射需要的靶材。

[0028] 实施例1

[0029] 二钛酸钡陶瓷靶材的制备：

[0030] 1)将市售的BaTiO3微粉和市售的TiO2微粉，摩尔比1:1分别称量，加入无水乙醇球磨混合2小时，得到混合原料，将混合原料烘干，用粉末压片机压制成直径为10mm，厚度为5mm的圆片。

[0031] 2)先将电弧熔炼设备抽真空，然后充入高纯氩气，经过5次反复熔炼后，使二钛酸钡的合成反应充分进行，得到块体；将熔炼合成的块体破碎，然后高能球磨10小时，得到粒径十微米以下的纯二钛酸钡粉体。所得粉体XRD和SEM图分别参照附图1和附图2。

[0032] 3)将粉体置入直径为50mm的石墨模具中，将石墨模具移入FCT电场活化烧结炉中，以100℃/min的升温速率升至1150℃，保温烧结30min，同时施加40MPa的轴向压力；达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却，最终得到物相为BaTi2O5和少量BaTiO3+Ba6Ti17O4、致密度达到95％的靶材。所得产品XRD图参照附图3。

[0033] 实施例2

[0034] 将实施例1中，烧结制度变为：以100℃/min的升温速率升至1100℃，然后以10℃升温至1150℃，保温20min。施加40MPa的压力。达到保温时间后，开始降温、卸除压力并随炉冷却。相对于实施例1改变了升温方式，得到的物相为纯BaTi2O5，致密度达到94.3％。所得产品XRD图参照附图4。

[0035] 实施例3

[0036] 将实施例1中烧结温度变为1100℃。靶材致密度为91.4％

[0037] 实施例4

[0038] 将实施例1中烧结温度变为1050℃。靶材致密度为84.3％。

[0039] 实施例5

[0040] 将实施例2中施加的压力变为60MPa，靶材致密度为94.8％。

[0041] 实施例6

[0042] 将实施例2中施加的压力变为30MPa，靶材致密度86.2％。

[0043] 实施例7

[0044] 将实施例5中保温时间延长为30min，靶材致密度95％。

[0045] 实施例8

[0046] 将实施例3中的升温速率变为200℃/min，靶材致密度为88.1％。

[0047] 实施例9

[0048] 将实施例3中升温速率变为50℃/min，靶材致密度86.1％。

[0049] 实施例10

[0050] 将实施例2中模具尺寸变为80mm，靶材致密度90％。

[0051] 在所有实施例中都制备出了二钛酸钡陶瓷靶材。但是材料致密度有差异，适宜的烧结条件为烧结温度1100-1150℃，升温速率100℃/min的升温速率升至1100℃，然后以10℃/min升温至1150℃。保温20-30min。同时施加40□60MPa的轴向压力；可得到致密度在90％-95％的大尺寸50-80mm靶材。