PDF《熔盐合成技术制备片状（Sr, Ba）TiO3 晶粒》

修订日期:2007-01-15 通讯作者:周科朝,教授,博士;

电话:0731-8836264;

E-mail:[email protected] 中国有色金属学报

2007 年6月872 Nb2/3)O3-PbTiO3 多晶织构材料(PMN?PT). 但用 SrTiO3 模板制备 PMN?PT 多晶织构时,Sr2+ 的引入会降低 PMN?PT 的某些压电性能,如PMN?PT 中加入 5%SrTiO3(体积分数)会使其居里温度从不加 SrTiO3 时的168 ℃降低至

120 ℃[4?5] .另外,SrTiO3 在高温 PbO 液相中热稳定性较差,在PMN-PT 基体中添加过量的 PbO 时,模板形貌会被 PbO 液相溶解破坏,不利于基 体晶粒定向形核和长大[9] .BaTiO3 在过量 PbO 的PMN?PT 基体中具有良好的热稳定性[4, 8?9] ,且引入 Ba2+ 不会大幅度影响 PMN?PT 的压电性能[4] ,但由于 BaTiO3 为六方结构,以它为模板难以制备出〈001〉 取向的 PMN?PT 多晶织构[9] .因此,结合 SrTiO3 和BaTiO3 两者的各自优点, 用Ba2+ 取代 SrTiO3 中的一部 分Sr2+ ,所得到的(Sr, Ba)TiO3 模板更合适用于制备 PMN?PT 多晶织构. 目前,(Sr, Ba)TiO3 制备技术主要有高温固相反 应[11] 、共沉淀[12] 及溶胶-凝胶[13?14] 等,但利用这些技 术均难以制备出低维度(Sr, Ba)TiO3 模板.熔盐合成工 艺已被用于制备SrTiO3 [

1 5 ?

1 7 ] 、 BaTiO3 [

8 ?

9 ] 、 BaBi2Nb2O9 [18] 、Bi4Ti3O12 [19] 和SrBa2Ta2O9 [20] 等多种低 维度模板材料.在熔盐合成过程中,液态熔盐助剂为 晶体提供一个近似自由生长的环境,并可以促进物质 的迁移从而加速晶体的生长过程,另外合理选择不同 的熔盐助剂种类还可有效控制晶粒形状和尺寸. 本文作者首先利用熔盐合成工艺制备出片状 Sr3Ti2O7 和SrTiO3 籽晶,然后分别用这两种前驱体在 熔盐环境下进行 Ba2+ 对其部分 Sr2+ 的置换,实现片状 (Sr, Ba)TiO3 模板晶粒的制备,着重研究了 Sr3Ti2O

7、 SrTiO3 前驱体与 BaO、TiO2 反应物间不同反应途径对 合成物相和(Sr, Ba)TiO3 晶粒形貌的影响.

1 实验 实验所需原料有 SrCO

3、TiO

2、BaO 和KCl(均为 分析纯).首先利用熔盐合成工艺制备片状 Sr3Ti2O7 和SrTiO3 籽晶,具体工艺为:将反应原料 SrCO3 粉末和 TiO2 粉末以摩尔比为 3.1???2.0 和ZrO2 陶瓷球在乙醇介 质中球磨混合

12 h,然后加入与反应物总质量相同的 KCl 继续球磨

3 h,干燥所得混合粉末在

1 200 ℃保温

4 h, 冷却直室温后反复用去离子水清洗并进行超声波 分散和沉降分级处理去除 KCl 熔盐助剂和细小颗粒, 干燥后所得产物即为片状 Sr3Ti2O7 籽晶.将片状 Sr3Ti2O7 籽晶与 TiO2 粉末以摩尔比为 1???1.1,并加入与 反应物总质量相同的 KCl 在乙醇介质中磁力搅拌混合

3 h,干燥所得粉末仍然在

1 200 ℃保温

4 h 时,冷却 后同样利用上述工艺去除 KCl 和细小颗粒,干燥后得 到片状 SrTiO3 籽晶.图1所示为两种熔盐合成产物的 X 射线衍射谱,谱线显示产物为纯度较高的 Sr3Ti2O7 相和 SrTiO3 相(分别参见 JCPDF 标准卡片 11?0663 和74?1296). 图2所示为熔盐合成所得 Sr3Ti2O7 和SrTiO3 籽晶的 SEM 像.由图

2 可知,两者均呈现出边长约 10~20 μm、厚度约 2~4 μm 的片状形貌. (Sr, Ba)TiO3 的制备同样采用熔盐合成技术,熔盐 助剂为 KCl, 以片状 Sr3Ti2O7 和SrTiO3 籽晶为前驱体, 分别采用如式(1)~(3)所示的

3 种熔盐合成方式进行 Ba2+ 的置换引入: 方式Ⅰ: SrTiO3+BaO→(Sr, Ba)TiO3+SrO (1) 方式Ⅱ: Sr3Ti2O7+BaO+TiO2→(Sr, Ba)TiO3+SrO (2) 方式Ⅱ: Sr3Ti2O7+BaO→(Sr, Ba)3Ti2O7+ SrO(Sr, Ba)3Ti2O7+TiO2→(Sr, Ba)TiO3+SrO (3) 图1熔盐合成的片状 Sr3Ti2O7(a)和SrTiO3(b)籽晶的 X 射线 衍射谱 Fig.1 XRD patterns of Sr3Ti2O7 (a) and SrTiO3 (b) prepared by molten salt method 第17 卷第