재료과학실험 | BaTiO3 고상반응법

 

 

 

TIP

 

 

세라믹 분말합성 방법 중 고상반응법은 BaTiO₃ 분말 합성으로 가장 대표적인 방법으로써 Ba및 Ti원자를 기계적으로 혼합하고 고온에서 고상 확산 반응시켜 분말을 제조하는 것이다. 이때 고상반응법을 이용하여 하소 과정에서 일어나는 반응, 특성, 상의 변화, 소결과정에서 일어나는 반응, 특성 등을 이해하고, ×-선회절 분석과 광학 현미경으로 미세구조를 관찰하며 높은 유전율과 강유전성을 나타내는 페로브스 카이트(Perovskite)구조의 BaTiO₃를 측정한다.

 

 

 

고상반응법

BaTiO₃ 분말을 제조하는 가장 대표적인 방법으로써 고상의 Ba및 Ti원을 기계적으로 혼합하고 고온에서 고상 확산 반응시켜 분말을 제조하는 것이다. 즉 BaTiO₃와 TiO₂를 공기 중에서 하소하면 TiO₂- BaTiO₃ 계면에서 최초로 반응이 일어나 CO₂가빠져 나오면서 BaTiO₃가 형성된다. 이렇게 형성 된 BaTiO₃는 BaTiO₃와 반응하여 Ba₂Ti₄로 되며 이러한 반응은 BaTiO₃가 모두 소모될 때까지 계속된다. 이렇게 형성된 BaTiO₄ 중간상은 나머지 TiO₂와 반응하여 최종적으로 BaTiO₃가 된다.

 

이러한 고상 반응은 1200℃내외의 온도와 수 시간의 반응 조건을 필요로 한다. 특히 불균일하게 혼합 되거나 반응 온도가 낮은 경우 Ba₂Ti₄나 BaTi₃O₇ 등의 중간상들 이 잔류하게 되어, 이를 완전히 제거하기 위해서는 1500℃에서 장시간 소결 해야만 한다. 결국 고상 반응에 의해 제조된 BaTiO₃분말은 그 높은 반응 온도 때문에 평균 입경이 매우 크며 따라서 ball milling등의 입도를 작게 하는 과정이 필요하다.

 

따라서 이 방법으로 제조된 BaTiO₃분말은 간편하 게 얻을 수 있다는 이점에도 불구하고 평균 입도가 크고 화학적 균일도가 낮으며 소결 온도가 높다는 단점이 있다. 게다가, 밀링 과정에서는 비대칭 성의 입자가 만들어질 뿐만 아니라 milling 매체로부터 불순물이 생길 수 있다. 따라서 경박 단소화가 요구 되는 유전체 제품의 기본소자로 사용하기 어렵다.

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실험 방법

실험 1. 원료 분말의 칭량과 혼합 (칭량, 혼합, 건조, 분쇄)

1) Ba와 Ti의 원자량을 이론적으로 구해 칭량한다.

 

2) 위의 이론대로 Ba와 Ti의 칭량 뒤에 볼밀을 위해 폴리 에틸렌 통속에 넣는다.

 

3) 지르코니아 볼을 120g 잰 뒤, 폴리에틸렌 통속에 넣은 후 증류수를 넣는다.

 

4) Ball milling을 시작한다. 총 22시간을 돌렸다.

 

5) Ball milling 하고 난 뒤에 비커 위 체를 올리고 지르코니아 볼과 와 의 혼합물을 증류수를 이용해 분리한다. (여과)

 

6) 비커에 마그네틱바와 혼합물을 넣은 뒤 hot plate 위에 비커를 올리고 적당 한 온도 즉heat 와 stir을 마크네틱바가 소리나는 대로 맞추어준다.

 

7) 다 건조시키지 못한 것은 건조기에 넣어 건조시킨다.

 

8) 건조를 시킨 BaCO₃와 TiO₂의 화합물을 장갑을 끼고 OHP필름으로 비커 벽면 에 붙어있는 분말들을 싹싹 긁어서 유발 안에 넣은 뒤 분말 분쇄 시킨다.

 

실험 2. 하소하기

1) 도가니의 무게를 측정한다. 그 뒤 다시 유발 안에 있는 갈아진 분말들을 긁어내 도가니 안에 넣는다. 분말 넣은 뒤 무게를 재고 분말 무게를 구한다.

 

2) XRD측정을 위해 분쇄 뒤 0.5g 을 빼놓는다.

 

3) 전기로인 컨트롤러에 넣어 하소시킨다. 온도를 올리고 유지뒤에 로냉을 하는 과정이다. 200℃/h씩 올리고, 1050℃를 2시간 유지한 뒤 로냉을 시킨다.

 

실험 3. CO₂량을 측정한 뒤 다시 분쇄와 볼밀

1) 하소한 뒤 도가니와 분말의 무게를 잰다. 하소하기 전의 분말무게에서 하소 한 뒤 분말 무게를 빼면 날라간 CO2의 양을 알 수 있다.

 

2) 도가니에 있는 분말을 OHP필름으로 긁어낸 뒤 다시 유발에 넣은 뒤 빻는다. 그 뒤 다시 폴리에틸렌 통에 지르코니아볼 120g과 분말을 넣는다.

 

3) 지르코니아볼과 분말이 있는 폴리에틸렌 통에 증류수를 12g정도 첨가 한다. 그리고 19시간 동안 볼밀을 한다.

 

실험 4. PVA 첨가

1) 19시간동안 볼밀을 한 후에 PVA를 2g 넣은 뒤 한 시간을 다시 볼밀한다. 이때 PVA는 10wt% 농도중 전체분말 20g 중 넣고 싶은 PVA가 1% 이므 로 아래의 식으로 구한 후 PVA를 넣는다.

 

2) 건조

① 다시 비커에 체를 올리고 볼밀이 끝난 시료를 붓는다.

② 통과 볼에 남은 시료를 증류수를 부어 헹군 뒤 비커에 넣는다.

③ hot plate 위에 비커를 올리고 적당히 온도를 올리고 마그네틱을 휘저으 며 건조시킨다.

④ 혼합물이 가루로 건조되면 분쇄한다.

 

3) 분쇄

① 비커에 있는 가루를 OHP필름으로 긁어낸 뒤 유발에 담는다.

② 긁어낸 시료를 유발에 넣고 분쇄한다.

③ 분쇄한 분말을 조립화를 위하여 100mesh체를 통과시킨다.

 

실험 5. 티탄산 바륨 분말의 성형

1) 금형 (내경 : 12.05㎜∅)에 조립화 된 분말을 일정 양 넣고, 유압 press를 이용하여 성형한다. 직경 12.05㎜ 와 1.3㎜의 두게를 가지기 위해서 0.5g 을 넣는다.

 

2) 성형을 했던 금형은 에탄올로 닦아 보관한다.

 

실험6. XRD 측정

분쇄 때 분말 0.5g으로 XRD측정을 한다.

 

실험 7. 티탄산 바륨의 소결

1) 성형체를 도가니 뚜껑에다가 총 5개를 위에 5개를 올려 총 10개를 올린다.

 

2) 전기로에 넣어 승온속도는 500℃로 1시간 올린 후 500℃에서 2시간 유지한 뒤 다시 500℃로 1250℃, 1350℃는 약 2시간 정도를 승온 시킨 뒤 1250℃와 1350℃에서 2시간씩 유지한다. 유지시켜준 뒤 로냉을 시킨다.

 

3) 소결된 후 소결체의 직경, 두께와 무게를 측정하여, 선 수축률을 구한다.

 

 

실험 8. 현미경 측정, XRD 측정

1) 시편을 에탄올로 세척한 뒤에 현미경으로 측정하여 #50, #100, #200, #500, #1000를 사진을 찍어 결합이 됬는지 확인한다.

 

2) 그 뒤 아래의 식대로 평균 입경을 구한다.

 

3) 1250℃와 1350℃ 시편의 XRD를 측정한다.

 

실험 9. 밀도 측정

1) 시편을 증류수에 담가서 3시간을 끓이고 24시간을 유지한 뒤 저울로 포화 질량과 수중질량을 포화 질량을 잰다.

 

2) 그 뒤 hot plate로 건조하다가, 건조기에 넣어 건조하였다. 그 뒤 건조질량을 잰다.

 

실험 10. 은소

1) 모든 시편의 두께를 1㎜로 맞춰 주기 위해 연마를 한다.

 

2) 연마한 것을 세척(에탄올로 5분동안 초음파세척)한 뒤 은소를 한다. hot plate에서 세척한 시편을 건조시킨 뒤 은페이스트 앞면을 바른 후 말리고 다시 뒷면에 은페이스트를 말린다.

 

3) 은페이스트를 발라준 뒤 열처리를 해야 한다. 200℃로 1시간 45분 동안 올려주고 750℃에서 10분유지 시켜준 뒤 로냉시킨다.

 

4) 열처리 뒤에 옆면에 붙어있는 은 페이스트를 연마해준다.

 

실험 11. 유전율 측정

유전율을 측정하기 위해 C값과 D값을 측정하였다. 아래의 식에 대입하여 유전율을 구할 수 있다.

 

 

[재료공학개론]Barium titanate(BaTiO3) 1부

 

 

[재료과학실험]BaTiO3 고상반응법 레포트