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本文以熔盐法制备的钨青铜铌酸盐微晶、利用模板晶粒生长技术制备的定向钨青铜铌酸盐陶瓷以及为反应烧结制备的铌酸锶钡陶瓷研究对象,采用透射电镜结合现代分析电镜的主要研究手段和方法,对其结构(包括离子占位)和微结构进行了较为系统和深入的分析和讨论,为理解制备过程中的微观机制,以及钨青铜铌酸盐的离子固溶关系提供了帮助,也为最终优化工艺条件,调控性能奠定了基础。本研究主要内容如下:
⑴通过不同熔盐、不同温度和不同锶钡比例,利用熔盐法制备了不同的铌酸锶钡(SBN)晶种,通过微区的成份分析,研究了不同离子的占位关系和固溶规律。在NaCl和KCl作为熔盐制备的SBN微晶中,Na和K离子均进入了钨青铜晶格,但是分别形成了充满型钨青铜结构的铌酸锶钡钠(SBNN)和未充满型钨青铜结构的铌酸锶钡钾(SBKN)。NaCl和KCl混合熔盐中的SBN,K和Na离子都进入了晶格,但仍然形成了充满型钨青铜结构。在低温下,SBN组分会受到离子尺寸、电荷甚至是结构的影响;在较高的温度下,无论熔盐的形式如何,相应配比的SBN中Sr的含量都是很接近的,但Ba的含量有所不同。熔盐离子的不同以及Sr/Ba比例的不同都会影响产物中组分的分布状况。未充满的钨青铜结构中,三种离子有着新的关系(Sr4-mBam)(BanK2-2n)Nb10030(m和n有固定的关系),并且三者的固溶并不互相独立,这与不同离子(尺寸、电荷数)固溶能之间的平衡相关。
⑵通过对不同模板、不同母体、以及有无助熔剂的模板晶粒生长技术制备的铌酸盐陶瓷的微结构进行观察和研究,发现晶种无论为SBKN还是铌酸钡钠(BNN),K和Na都很容易扩散均一化。不同母体制备的过程中,由于SBN40和BNN反应完成的温度较低,而其致密化的温度较高,均能很理想地织构化。但是SBN60反应完成的温度较高,未完成反应SN相残留,不利于材料的织构化。引入烧结助剂V2O5,形成液相,有利于SBN陶瓷的致密化和晶种的生长,也有利于基体颗粒的反应。烧结助剂的引入还会导致第二相的形成、基体中某种A位离子的晶界负偏析行为(BN和NN体系中是Ba离子, SN和BN体系中是Sr离子)、含有不同宽度的非晶膜的晶界结构。
⑶通过对以铌酸锶(SN)和铌酸钡(BN)作为母体反应烧结制备SBN陶瓷的微结构进行观察和研究,发现了在微结构中存在四种不同的成分区:正常SBN相,正常的SN相,A位缺失区和A位过量区。这与两种原始粉体中A位离子的扩散特性有关。除了正常的SBN相和SN相,其他的两个成分区可以通过在晶界处形成超晶格、非晶膜等方式释放能量以较长时间地存在于微结构中,这个过程对陶瓷的致密化是有帮助的。原始粉体中越高Sr/Ba比,这种现象和效应越明显。V2O5液相的引入、温度的升高能够使该效应加剧。但是以气相方式加入的V,却有着迥异的影响。
⑷在钨青铜铌酸盐的结构中,存在许多无序的位置。它们的有序化是钨青铜铌酸盐产生部分相变和超晶格的基础。A位离子的有序也会产生超晶格,一般来说均是有公度的;而O原子有序化可能会产生无公度的超结构。这种有序化伴随的原子位置微小变化和晶胞的畸变,将会影响到材料的性能。