论文部分内容阅读
氧化物功能材料是一类正在发展中的材料体系,因其可被合成为具有特定功能特性的材料而受到科学家的青睐。制备材料的关键是在不同尺寸数量级上控制结构与组成的演化已达到优异性能。从所有相关结构的构建拼块基本模型出发,依据晶体结构、键合、混合价、化学计量等依据,构建尺度可控的纳米粉体,进一步,由尺度可控的纳米粉体构建陶瓷烧结体具有重要的理论价值和现实意义。本论文以熔盐法为研究手段实现了对铌基化合物纳米材料的可控合成,深入探讨了熔盐体系中晶体生长机理与拓扑反应机制。进一步对得到的铌基化合物纳米粉体烧结致密化,并深入研究了陶瓷的介电、铁电、与压电性能。 主要内容如下: 1.采用熔盐法先期合成的KNb3O8纳米棒作为模板经拓扑化学路线转换逐步得到H3ONb3O8纳米棒和№2O5纳米棒,探讨了煅烧温度、反应时间、熔盐含量对产物的相结构及形貌影响,确定了最佳工艺条件合成Nb2O5纳米棒。并从拼块组装角度探讨了熔盐拓扑合成Nb2O5纳米棒过程中可能的反应机理。 2.以棒状Nb2O5作为模板,分别采用熔盐法和传统固相法合成LiNbO3纳米粉体。实验发现,采用熔盐法得到的产物为纳米棒,而采用传统固相法得到的产物为纳米颗粒。从晶体化学角度,揭示了从Nb2O5模板向LiNbO3不同形貌粉体的演变过程。 3.以棒状Nb2O5作为模板,采用熔盐法合成K0.5Bi2.5Nb2O9铋层结构中纳米粉体。得到了片状形貌的产物,分析原因是因为Nb2O5与K0.5Bi2.5Nb2O9结构NbO6八面体拼块连接方式不同。反应过程中,晶体结构需要发生较大范围的重组,大量的化学键破裂和重建,Nb2O5的三维网络结构被插入的K+/Bi3+离子破坏。因此,产物K0.5Bi2.5Nb2O9不能保留模板Nb2O5的棒状形貌,而是在熔盐液相环境下按照铋层结构材料的二维结晶习性,生成了片状的K0.5Bi2.5Nb2O9纳米粉体。 4.分别选用棒状Nb2O5及块状Nb2O5为模板,采用熔盐法可控合成钙钛矿结构NaNbO3纳米粉体,得到了形貌与模板相似的产物。对合成机理深入研究发现模板拓扑机制起到关键作用。进一步,分别以块状NaNbO3和棒状NaNbO3为前驱体粉体烧结制备陶瓷,并系统研究了前驱粉体形貌对陶瓷电学性能的影响。研究发现,以棒状NaNbO3粉体为前驱体制备的陶瓷的电学性能明显优于块状NaNbO3粉体为前驱体制备的陶瓷的电学性能,分析其原因是由于棒状前驱粉体制备陶瓷中缺陷偶极子比块状前驱粉体制备的陶瓷中缺陷偶极子少所致。 5.以棒状Nb2O5作为模板,采用熔盐法可控合成钙钛矿结构KNbO3纳米棒,研究了反应时间、熔盐量对产物相结构及形貌的影响。实验发现,在反应时间为90 min时,得到了直径为几百纳米且长度为几个微米到几十个微米的KNbO3纳米棒;然而,当反应时间增加为240 min时,制备的KNbO3纳米棒破裂成小颗粒。选用棒状KNb3O8和H3ONb3O8作为铌源,得到的产物为小颗粒;而选用棒状Nb2O5为铌源得到的产物仍维持棒状形貌。进一步,从晶体结构角度揭示了从KNb3O8、H3ONb3O8、Nb2O5结构到KNbO3结构的演变。 6.以棒状Nb2O5作为模板,采用熔盐法拓扑合成钨青铜结构KSr2Nb5O15纳米棒,研究了煅烧温度对产物相结构及形貌的影响。以棒状Nb2O5作为模板,采用传统固相法得到产物为小颗粒,而熔盐法得到产物为棒状。将棒状KSr2Nb5O15粉体进行烧结得到晶粒仍呈现棒状形貌的陶瓷,电学性能结果表明棒状KSr2Nb5O15粉体烧结的陶瓷铁电性能得到提高。从晶体结构解析入手,基于拼块组装理念,对以棒状Nb2O5为模板,采用熔盐拓扑法合成的多种铌基化合物:畸变钙钛矿LiNbO3、钙钛矿NaNbO3及KNbO3、铋层K0.5Bi2.5Nb2O9和钨青铜KSr2Nb5O15铌基化合物的合成机理深入研究。研究发现,在熔盐拓扑合成过程中,晶体自身结晶特性对拼块重组产生重要影响,模板法有利于构建NbO6八面体在空间三维方向上无约束延展的材料体系,这对今后的熔盐拓扑合成其它一维铌基化合物材料具有借鉴意义。