钛酸盐

有混合金属氧化物结构的物质

钛酸盐是指钛的 含氧酸盐 ,一般钛酸盐都具有混合金属 氧化物 的结构。

钛酸盐按其结构分为 钛铁矿 类和 钙钛矿 类两大类。它可能会随着其合成方法和条件的不同,以及所处外界环境的变化而在两种构型之间转化。

基本介绍

天然存在的钛酸盐有钙钛矿和钛铁矿( 和 )。

一般钛酸盐都具有混合金属氧化物的结构。无水钛酸盐可以通过金属 碳酸根 或 氢氧化物 与 二氧化钛 共熔制得。

钛酸 晶体 在外 电场 作用下会产生整体的极化。是良好的铁电材料和压电材料,在电子工业中用途广泛。

结构

常见的钛酸盐也可视为具有 或 (A为金属元素如Ca、Fe、Ba等)组成的复合 氧化物 。按其结构分为两大类: 钛铁矿 类和 钙钛矿 类。它可能会随着其台成方法和条件的不同,以及所处外界环境的变化而在两种构型之间转化。

钛铁矿类化合物的结构

钛铁矿类化合物结构与 三氧化二铬 、 赤铁矿 或 刚玉 ,有密切的联系。图为具有钛铁矿结构(空间群 )的钛 酸亚铁结构示意图,其对称性是 菱形 的:可近似地认为系一个 八面体 位置被阳离子占用的氧离子的六方密堆积排列。阳离子沿c轴被隔离开,从而有了A和B阳离子的交替层另一种观察钦铁矿类化合物的方法是把它看作由NiAs,转化而来,其中1/3的八面体位置是空缺的。

钙 铁矿 类化合物的结构

理想的 钙钛矿 类化合物结构是以B位或A位阳离子为结点的 立方晶系 。如果从B位阳离子的配位 多面体 角度观察, 钙钛矿结构 是由 Bos 八面体共顶点组成三维网络,A阳离子填充于其形成的 十二面体 空穴 中。然而,从原子的堆垛角度观察,它却可以看作两种原子层交替堆垛而成。以A阳离子为结点堆垛形成立方点阵时,在其密堆单元中的氧 阴离子 密堆单元相互旋转60度堆垛形成6配位的 八面体 空间,B阳离子便处于此空间的中心。

钛酸盐正是由于这种特殊的微观结构,才在宏观上表现出优越的吸波性能。钦酸 硫酸亚铁 类化合物属于电损耗型吸波材料,主要特点是具有较高的电损耗正切角,依靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化衰减、吸收电磁波。

电学性能

介电性

固体材料以电性能为标准可分为 绝缘体 、半 导体 、导体和超导体。大多数钛酸盐材料都属于绝缘体,但在外 电场 的作用下 晶体 内部可出现 电极化 现象,因此它们也是介电体。介电体电极化效应的大小用材料两端积蓄的电荷密度与外加电场强度之比即介电 常数 来表示。不同的钛酸盐材料储存电荷的能力是不同的,因此介电常数有大有小。室温下 钛酸钡 的介电常数高达1400, 钛酸铅 的介电常数仅为 142, 钛酸镁 的介电常数则更小。同时介电常数随温度变化的情况也不同,钛酸钡在居里温度附近介电常数高达6000—10000,而钛酸镁的介电常数值随温度变化很小,几乎无变化。

压电性

1880 年 法国 人居里兄弟发现了“ 压电效应 ”。所谓压电性是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力微小得像 声波 振动,都会产生压缩或伸长等形状变化,引起介 质表面带电,这就是正压电 效应。反之,施加激励 电场 ,介质将产生机械变形,称逆压电性。 晶体 按其对称性可分为 32 个晶族,其中无对称中心的 21 个晶族中有 20 个晶族有压电性。最早发现 水晶 、 酒石酸钾钠 等少数单晶具有压电性,由于单晶产量低、难于加工成型,其应用受到限制。1947 年, 美国 斯罗伯 茨 在陶瓷上加高压获得陶瓷的压电性。其后, 德国 、 日本 、美国、 苏联 等国家开始对钛酸盐进行广泛的研究,发现 钛酸钡 的压电性虽比水晶好,但比酒石酸钾钠差;压电性随温度和时间变化比酒石酸钾钠小,但是比水晶大。钛酸钡压电性的温度和时间变化大的原因是居里温度(120 摄氏度 )和第二 相变 点(0摄氏度)都在室温附近。为改善钛酸钡性能对其进行了一系列搀杂的研究。尽管钛酸钡的压电性在 工 程 上有 着 广泛 的应用,但是由于其居里温度低、工作温度范围窄和稳定性差等原因正逐步被后来发现的具有许多优良特性的 钛酸铅 和锆钛酸铅所取代。随着电子技术向高频和超高频领域发展的需要,对 锆 钛酸铅进行广泛的搀杂改性并发展了大量的三元系和四元系的固溶体,得到了一系列满足各种不同需要的钛酸铅系功能材料。但随着人们环保意识的增强,正在着手寻找一种无污染、具有优良压电性能的钛酸盐功能材料。 钛酸铋 具有低的 介电常数 、低的介电损耗、居里温度高(675 摄氏度 )和无铅污染等优点,有望成为新一代具有压电性的“绿色”功能材料。

热释电性

热释电性是指由于温度的变化而引起 晶体 表面荷电的性质。热释电效应由于晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移,从而导致晶体的总电矩发生改变,与 压电效应 相类似。由于结构方面的原因导致正负电荷中心不重合,这实际上就是一种自发极化。人们发现20 个具有压电性的晶族中有 10 个可以自发极化的晶族都具有热释电性。人们还发现了许多具有热释电效应的晶体,在钛酸盐材料中最早发现 钛酸钡 具有热释电性,随后又发现的比较重要的是 钛酸铅 和二元、三元改性的钛酸铅。

合成方法

1,高温固相合成法:按照化学计量比充分混合粉末,在真空中高温(1300℃) 煅 烧数小时乃至更长的时间。产品粒度大,纯度低,不均匀,反应时间长,能耗高。

2, 化学 共沉淀法:沉淀法是制备材料的湿化学法工艺中最简单,成本低产品性状好的一种方法。

3,水热法:水热法合成的钛酸盐粉末纯度高、粒度小、分布均匀等优点反应温度低于常规固相合成法。

4,溶胶-凝胶法:溶胶-凝胶技术是在低温和温和的条件下制备各种金属复合 氧化物 纳米材料的较普通的方法。其优点是产物具有超细颗粒尺寸高纯度和 化学 均匀性。溶胶-凝胶法制备纳米钛酸盐时,一般将钛盐与金属盐在适当的 溶剂 中溶解反应经过溶胶过程然后形成凝胶,经热处理形成纳米钛酸盐。