片狀鈦酸鉍模板晶粒的合成機理研究

魏丹丹 李文軒 孔慶霞

摘要：目前對于制備對稱性較高的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的織構(gòu)陶瓷，一般選用的是二維片狀結(jié)構(gòu)的模板晶粒。本文通過熔鹽法合成二維片狀鈦酸鉍模板晶粒，詳細研究了熔鹽種類對片狀鈦酸鉍微觀形貌的影響。同時闡述了片狀鈦酸鉍模板晶粒的合成機理。

關鍵詞：片狀鈦酸鉍;熔鹽法;模板晶粒

一、引言

通過模板晶粒生長技術制備高取向度的織構(gòu)化陶瓷，最關鍵的兩個步驟如下：一是在流延成型過程中，模板晶粒在素坯膜中可以高度定向排列;二是在生瓷片的致密化燒結(jié)過程中，基體能夠在各向異性的模板晶粒表面進行外延生長。因此，各向異性的模板晶粒既作為晶粒定向生長的種子又作為用于外延生長的襯底，在整個實驗過程中是非常重要的一個組成部分。制備出合適的模板晶粒是整個工藝過程中至關重要的一步。早在1973年，R.H. Arendt就通過熔鹽法合成了BaFe12O19和SrFe12O19粉體[1]。此后，各國研究學者們廣泛采用該方法制備出了各種具有各向異性的電子陶瓷粉體，如MgNb2O6 [2]、SrNb2O7 [3]等。熔鹽過程可簡單概述為：將鹽類和反應物按照一定的比例混合，混合均勻后進行加熱，反應物在熔融的鹽中進行原子級別的反應，然后選用合適的溶劑將鹽類和反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物溶解，經(jīng)過濾洗滌得到純凈的目標產(chǎn)物。

二、實驗方法

首先按照化學計量比稱取一定質(zhì)量的Bi2O3和TiO2粉體，以無水乙醇為介質(zhì)，球磨4h使得兩種粉體混合均勻。然后加入一定量的鹽繼續(xù)球磨4h，經(jīng)干燥、研磨過篩后，裝入氧化鋁坩堝，放置在燒結(jié)爐中，以5oC/min的升溫速率升至800oC保溫2h。然后繼續(xù)升溫至960oC～1020oC，保溫一定時間后隨爐自然冷卻。用去離子水對所得的產(chǎn)物反復洗滌。最后將純凈的Bi4Ti3O12粉末置于烘箱中烘干。然后通過掃描電子顯微鏡（SEM）對所合成的Bi4Ti3O12粉末形貌進行觀察分析。

值得注意的是，實驗中所加入的鹽要適量，如果熔鹽含量太少，由于反應過程中液相較少，反應物在熔鹽中不能夠充分溶解，液相傳質(zhì)的速率就會變慢，進而影響反應時間和產(chǎn)物形貌;如果熔鹽含量過多，則物質(zhì)擴散距離就會較遠，在擴散途中就有可能會均勻成核析出并長大，造成產(chǎn)物中等軸的小尺寸顆粒的數(shù)量增多，并且會削弱大晶粒的各向異性，另一方面過多的熔鹽會給反應結(jié)束后的洗鹽過程增加工作量。因此，本實驗中的熔鹽是按照反應原料與熔鹽質(zhì)量比為1：1所加入的。

三、結(jié)果分析

由于不同熔鹽的組分和熔點有所不同，并且物質(zhì)在不同熔鹽中的溶解度和遷移率存在一定的差異，使得不同熔鹽種類對目標產(chǎn)物的尺寸和形貌有著不同的影響。本實驗所用到的三種熔鹽，分別是NaCl熔鹽、KCl熔鹽和NaCl與KCl質(zhì)量比1：1的混合熔鹽。

圖1所示為在三種不同種類的熔鹽下合成的Bi4Ti3O12粉體的SEM照片。可以看出，熔鹽法合成的Bi4Ti3O12粉體均表現(xiàn)出片狀的微觀形貌。在NaCl熔鹽中合成的Bi4Ti3O12粉體具有最大的各向異性，且具有較大的方向比。在KCl熔鹽和混合熔鹽中合成的Bi4Ti3O12粉體晶粒尺寸普遍偏小，方向比也遠遠低于NaCl熔鹽中合成的Bi4Ti3O12粉體。很顯然，合成片狀Bi4Ti3O12前驅(qū)體的最佳熔鹽為NaCl熔鹽。

之所以用一步熔鹽反應就能夠合成具有明顯片狀形貌的并且無團聚的各向異性的晶粒粉末，與Bi4Ti3O12自身的晶體結(jié)構(gòu)有很大的關系。Bi4Ti3O12是典型的鉍層狀類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體。在熔鹽合成技術中，熔融的鹽為反應提供了一個近乎自由的環(huán)境，晶粒在相對自由的生長環(huán)境下往往會按照其自身晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律進行成核長大。

四、總結(jié)

本文詳細研究了合成各向異性的片狀Bi4Ti3O12前驅(qū)體的最佳熔鹽種類。結(jié)果表明以NaCl作為熔鹽合成的Bi4Ti3O12粉體具有以下幾個特征：純相無雜質(zhì);明顯的片狀形貌;粉體之間無團聚現(xiàn)象出現(xiàn);平均粒徑為10.3μm。

參考文獻

[1]Arendt RH. The molten salt synthesis of single magnetic domain BaFe12O19 crystals[J]. Journal of Solid State Chemistry，1973，8 （4）：339-347.

[2]Shanker V，Ganguli AK. Comparative study of dielectric properties of MgNb2O6 prepared by molten salt and ceramic method[J]. Bulletin of Materials Science，2003，26 （7）：741-744.

[3]Brahmaroutu B，Messing GL，Trolier-Mckinstry S. Molten salt synthesis of anisotropic Sr2Nb2O7 particles[J]. Journal of the American Ceramic Society，1999，82 （6）：1565-1568.

作者簡介：魏丹丹（1989-），女（漢族），山東菏澤人，講師，博士研究生，研究方向：無機非金屬材料。