魏丹丹 李文軒 孔慶霞

摘要：目前對(duì)于制備對(duì)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(guò)熔鹽法合成二維片狀鈦酸鉍模板晶粒，詳細(xì)研究了熔鹽種類(lèi)對(duì)片狀鈦酸鉍微觀形貌的影響。同時(shí)闡述了片狀鈦酸鉍模板晶粒的合成機(jī)理。

關(guān)鍵詞：片狀鈦酸鉍;熔鹽法;模板晶粒

一、引言

通過(guò)模板晶粒生長(zhǎng)技術(shù)制備高取向度的織構(gòu)化陶瓷，最關(guān)鍵的兩個(gè)步驟如下：一是在流延成型過(guò)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(guò)程中，基體能夠在各向異性的模板晶粒表面進(jìn)行外延生長(zhǎng)。因此，各向異性的模板晶粒既作為晶粒定向生長(zhǎng)的種子又作為用于外延生長(zhǎng)的襯底，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是非常重要的一個(gè)組成部分。制備出合適的模板晶粒是整個(gè)工藝過(guò)程中至關(guān)重要的一步。早在1973年，R.H. Arendt就通過(guò)熔鹽法合成了BaFe12O19和SrFe12O19粉體[1]。此后，各國(guó)研究學(xué)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(guò)程可簡(jiǎn)單概述為：將鹽類(lèi)和反應(yīng)物按照一定的比例混合，混合均勻后進(jìn)行加熱，反應(yīng)物在熔融的鹽中進(jìn)行原子級(jí)別的反應(yīng)，然后選用合適的溶劑將鹽類(lèi)和反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物溶解，經(jīng)過(guò)濾洗滌得到純凈的目標(biāo)產(chǎn)物。

二、實(shí)驗(yàn)方法

首先按照化學(xué)計(jì)量比稱取一定質(zhì)量的Bi2O3和TiO2粉體，以無(wú)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(guò)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(shí)間后隨爐自然冷卻。用去離子水對(duì)所得的產(chǎn)物反復(fù)洗滌。最后將純凈的Bi4Ti3O12粉末置于烘箱中烘干。然后通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)所合成的Bi4Ti3O12粉末形貌進(jìn)行觀察分析。

值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中所加入的鹽要適量，如果熔鹽含量太少，由于反應(yīng)過(guò)程中液相較少，反應(yīng)物在熔鹽中不能夠充分溶解，液相傳質(zhì)的速率就會(huì)變慢，進(jìn)而影響反應(yīng)時(shí)間和產(chǎn)物形貌;如果熔鹽含量過(guò)多，則物質(zhì)擴(kuò)散距離就會(huì)較遠(yuǎn)，在擴(kuò)散途中就有可能會(huì)均勻成核析出并長(zhǎng)大，造成產(chǎn)物中等軸的小尺寸顆粒的數(shù)量增多，并且會(huì)削弱大晶粒的各向異性，另一方面過(guò)多的熔鹽會(huì)給反應(yīng)結(jié)束后的洗鹽過(guò)程增加工作量。因此，本實(shí)驗(yàn)中的熔鹽是按照反應(yīng)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(diǎn)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(lèi)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的尺寸和形貌有著不同的影響。本實(shí)驗(yàn)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(lèi)的熔鹽下合成的Bi4Ti3O12粉體的SEM照片?？梢钥闯?，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)就能夠合成具有明顯片狀形貌的并且無(wú)團(tuán)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(guān)系。Bi4Ti3O12是典型的鉍層狀類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體。在熔鹽合成技術(shù)中，熔融的鹽為反應(yīng)提供了一個(gè)近乎自由的環(huán)境，晶粒在相對(duì)自由的生長(zhǎng)環(huán)境下往往會(huì)按照其自身晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律進(jìn)行成核長(zhǎng)大。

四、總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)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(wú)機(jī)非金屬材料。