鈦酸鹽百科
時(shí)間：2022-08-12
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鈦酸鹽是指鈦的含氧酸鹽，一般鈦酸鹽都具有混合金屬氧化物的結構。
鈦酸鹽按其結構分為鈦鐵礦類(lèi)和鈣鈦礦類(lèi)兩大類(lèi)。它可能會(huì )隨著(zhù)其合成方法和條件的不同，以及所處外界環(huán)境的變化而在兩種構型之間轉化。
一、基本介紹
天然存在的鈦酸鹽有鈣鈦礦和鈦鐵礦。
一般鈦酸鹽都具有混合金屬氧化物的結構。無(wú)水鈦酸鹽可以通過(guò)金屬碳酸鹽或氫氧化物與二氧化鈦共熔制得。
鈦酸鋇晶體在外電場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生整體的極化。是良好的鐵電材料和壓電材料，在電子工業(yè)中用途廣泛。
二、結構
常見(jiàn)的鈦酸鹽也可視為具有 或 (A為金屬元素如Ca、Fe、Ba等)組成的復合氧化物。按其結構分為兩大類(lèi)：鈦鐵礦類(lèi)和鈣鈦礦類(lèi)。它可能會(huì )隨著(zhù)其臺成方法和條件的不同，以及所處外界環(huán)境的變化而在兩種構型之間轉化。
1、鈦鐵礦類(lèi)化合物的結構
鈦鐵礦類(lèi)化合物結構與三氧化二鉻、赤鐵礦或鋼玉，有密切的聯(lián)系。圖為具有鈦鐵礦結構(空間群R3)的鈦酸亞鐵結構示意圖，其對稱(chēng)性是菱形的：可近似地認為系一個(gè)2/3八面體位置被陽(yáng)離子占用的氧離了的六方密堆積排列。陽(yáng)離子沿c軸被隔離開(kāi)，從而有了A和B陽(yáng)離子的交替層另一種觀(guān)察欽鐵礦類(lèi)化合物的方法是把它看作由NiAs，轉化而來(lái)，其中1/3的八面體位置是空缺的。
2、 鈣鐵礦類(lèi)化合物的結構
理想的鈣鈦礦類(lèi)化合物結構是以B位或A位陽(yáng)離子為結點(diǎn)的立方晶體。如果從B位陽(yáng)離子的配位多面體角度觀(guān)察，鈣鈦礦結構是由Bos八面體共頂點(diǎn)組成三維網(wǎng)絡(luò )，A陽(yáng)離子填充于其形成的十二面體空穴中。然而，從原子的堆垛角度觀(guān)察，它卻可以看作兩種原于層交替堆垛而成。以A陽(yáng)離子為結點(diǎn)堆垛形成立方點(diǎn)陣時(shí)，在其密堆單元中的氧陰離子密堆單元相互旋轉60度堆垛形成6配位的八面體空間，B陽(yáng)離子便處于此空間的中心。
鈦酸鹽正是由于這種特殊的微觀(guān)結構，才在宏觀(guān)上表現出優(yōu)越的吸波性能。欽酸亞鐵類(lèi)化合物屬于電損耗型吸波材料，主要特點(diǎn)是具有較高的電損耗正切角，依靠介質(zhì)的電子極化、離子極化、分子極化或界面極化衰減、吸收電磁波。
三、電學(xué)性能
1、介電性
固體材料以電性能為標準可分為絕緣體、半導體、導體和超導體。大多數鈦酸鹽材料都屬于絕緣體，但在外電場(chǎng)的作用下晶體內部可出現電極化現象，因此它們也是介電體。介電體電極化效應的大小用材料兩端積蓄的電荷密度與外加電場(chǎng)強度之比即介電常數來(lái)表示。不同的鈦酸鹽材料儲存電荷的能力是不同的，因此介電常數有大有小。室溫下鈦酸鋇的介電常數高達1400，鈦酸鉛的介電常數僅為 142，鈦酸鎂的介電常數則更小。同時(shí)介電常數隨溫度變化的情況也不同，鈦酸鋇在居里溫度附近介電常數高達6000—10000，而鈦酸鎂的介電常數值隨溫度變化很小，幾乎無(wú)變化。
2、壓電性
1880 年法國人居里兄 弟 發(fā) 現 了“壓電效應”。所謂壓電性是指某些介質(zhì)在受到機械壓力時(shí)，哪怕這種壓力微小得像聲波振動(dòng)，都會(huì )產(chǎn)生壓縮或伸長(cháng)等形狀變化，引起介 質(zhì)表面帶電，這就是正壓電 效應。反之，施加激勵電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱(chēng)逆壓電性。晶體按其對稱(chēng)性可分為 32 個(gè)晶族，其中無(wú)對稱(chēng)中心的 21 個(gè)晶族中有 20 個(gè)晶族有壓電性。最早發(fā)現水晶、酒石酸鉀鈉等少數單晶具有壓電性，由于單晶產(chǎn)量低、難于加工成型，其應用受到限制。1947 年，美國斯羅伯茨在陶瓷上加高壓獲得陶瓷的壓電性。其后，德國、日本、美國、前蘇聯(lián)等國家開(kāi)始對鈦酸鹽進(jìn)行廣泛的研究，發(fā)現鈦酸鋇的壓電性雖比水晶好，但比酒石酸鉀鈉差；壓電性隨溫度和時(shí)間變化比酒石酸鉀鈉小，但是比水晶大。鈦酸鋇壓電性的溫度和時(shí)間變化大的原因是居里溫度（120攝氏度）和第二相變點(diǎn)（0攝氏度）都在室溫附近。為改善鈦酸鋇性能對其進(jìn)行了一系列攙雜的研究。盡管鈦酸鋇的壓電性在 工 程 上有 著(zhù) 廣泛 的應用，但是由于其居里溫度低、工作溫度范圍窄和穩定性差等原因正逐步被后來(lái)發(fā)現的具有許多優(yōu)良特性的鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛所取代。隨著(zhù)電子技術(shù)向高頻和超高頻領(lǐng)域發(fā)展的需要，對鋯鈦酸鉛進(jìn)行廣泛的攙雜改性并發(fā)展了大量的三元系和四元系的固溶體，得到了一系列滿(mǎn)足各種不同需要的鈦酸鉛系功能材料。但隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強，正在著(zhù)手尋找一種無(wú)污染、具有優(yōu)良壓電性能的鈦酸鹽功能材料。鈦酸鉍具有低的介電常數、低的介電損耗、居里溫度高（675攝氏度）和無(wú)鉛污染等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代具有壓電性的“綠色”功能材料。
3、熱釋電性
熱釋電性是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的性質(zhì)。熱釋電效應由于晶體受熱膨脹而引起正負離子相對位移，從而導致晶體的總電矩發(fā)生改變，與壓電效應相類(lèi)似。由于結構方面的原因導致正負電荷中心不重合，這實(shí)際上就是一種自發(fā)極化。人們發(fā)現20 個(gè)具有壓電性的晶族中有 10 個(gè)可以自發(fā)極化的晶族都具有熱釋電性。人們還發(fā)現了許多具有熱釋電效應的晶體，在鈦酸鹽材料中最早發(fā)現鈦酸鋇具有熱釋電性，隨后又發(fā)現的比較重要的是鈦酸鉛和二元、三元改性的鈦酸鉛。
四、合成方法
1、高溫固相合成法：按照化學(xué)計量比充分混合粉末，在真空中高溫（1300℃）煅燒數小時(shí)乃至更長(cháng)的時(shí)間。產(chǎn)品粒度大，純度低，不均勻，反應時(shí)間長(cháng)，能耗高。
2、化學(xué)共沉淀法：沉淀法是制備材料的濕化學(xué)法工藝中最簡(jiǎn)單，成本低產(chǎn)品性狀好的一種方法。
3、水熱法：水熱法合成的鈦酸鹽粉末純度高、粒度小、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)反應溫度低于常規固相合成法。
4、溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠技術(shù)是在低溫和溫和的條件下制備各種金屬復合氧化物納米材料的較普通的方法。其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物具有超細顆粒尺寸高純度和化學(xué)均勻性。溶膠-凝膠法制備納米鈦酸鹽時(shí)，一般將鈦鹽與金屬鹽在適當的溶劑中溶解反應經(jīng)過(guò)溶膠過(guò)程然后形成凝膠，經(jīng)熱處理形成納米鈦酸鹽。
鈦酸鹽按其結構分為鈦鐵礦類(lèi)和鈣鈦礦類(lèi)兩大類(lèi)。它可能會(huì )隨著(zhù)其合成方法和條件的不同，以及所處外界環(huán)境的變化而在兩種構型之間轉化。
一、基本介紹
天然存在的鈦酸鹽有鈣鈦礦和鈦鐵礦。
一般鈦酸鹽都具有混合金屬氧化物的結構。無(wú)水鈦酸鹽可以通過(guò)金屬碳酸鹽或氫氧化物與二氧化鈦共熔制得。
鈦酸鋇晶體在外電場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生整體的極化。是良好的鐵電材料和壓電材料，在電子工業(yè)中用途廣泛。
二、結構
常見(jiàn)的鈦酸鹽也可視為具有 或 (A為金屬元素如Ca、Fe、Ba等)組成的復合氧化物。按其結構分為兩大類(lèi)：鈦鐵礦類(lèi)和鈣鈦礦類(lèi)。它可能會(huì )隨著(zhù)其臺成方法和條件的不同，以及所處外界環(huán)境的變化而在兩種構型之間轉化。
1、鈦鐵礦類(lèi)化合物的結構
鈦鐵礦類(lèi)化合物結構與三氧化二鉻、赤鐵礦或鋼玉，有密切的聯(lián)系。圖為具有鈦鐵礦結構(空間群R3)的鈦酸亞鐵結構示意圖，其對稱(chēng)性是菱形的：可近似地認為系一個(gè)2/3八面體位置被陽(yáng)離子占用的氧離了的六方密堆積排列。陽(yáng)離子沿c軸被隔離開(kāi)，從而有了A和B陽(yáng)離子的交替層另一種觀(guān)察欽鐵礦類(lèi)化合物的方法是把它看作由NiAs，轉化而來(lái)，其中1/3的八面體位置是空缺的。
2、 鈣鐵礦類(lèi)化合物的結構
理想的鈣鈦礦類(lèi)化合物結構是以B位或A位陽(yáng)離子為結點(diǎn)的立方晶體。如果從B位陽(yáng)離子的配位多面體角度觀(guān)察，鈣鈦礦結構是由Bos八面體共頂點(diǎn)組成三維網(wǎng)絡(luò )，A陽(yáng)離子填充于其形成的十二面體空穴中。然而，從原子的堆垛角度觀(guān)察，它卻可以看作兩種原于層交替堆垛而成。以A陽(yáng)離子為結點(diǎn)堆垛形成立方點(diǎn)陣時(shí)，在其密堆單元中的氧陰離子密堆單元相互旋轉60度堆垛形成6配位的八面體空間，B陽(yáng)離子便處于此空間的中心。
鈦酸鹽正是由于這種特殊的微觀(guān)結構，才在宏觀(guān)上表現出優(yōu)越的吸波性能。欽酸亞鐵類(lèi)化合物屬于電損耗型吸波材料，主要特點(diǎn)是具有較高的電損耗正切角，依靠介質(zhì)的電子極化、離子極化、分子極化或界面極化衰減、吸收電磁波。
三、電學(xué)性能
1、介電性
固體材料以電性能為標準可分為絕緣體、半導體、導體和超導體。大多數鈦酸鹽材料都屬于絕緣體，但在外電場(chǎng)的作用下晶體內部可出現電極化現象，因此它們也是介電體。介電體電極化效應的大小用材料兩端積蓄的電荷密度與外加電場(chǎng)強度之比即介電常數來(lái)表示。不同的鈦酸鹽材料儲存電荷的能力是不同的，因此介電常數有大有小。室溫下鈦酸鋇的介電常數高達1400，鈦酸鉛的介電常數僅為 142，鈦酸鎂的介電常數則更小。同時(shí)介電常數隨溫度變化的情況也不同，鈦酸鋇在居里溫度附近介電常數高達6000—10000，而鈦酸鎂的介電常數值隨溫度變化很小，幾乎無(wú)變化。
2、壓電性
1880 年法國人居里兄 弟 發(fā) 現 了“壓電效應”。所謂壓電性是指某些介質(zhì)在受到機械壓力時(shí)，哪怕這種壓力微小得像聲波振動(dòng)，都會(huì )產(chǎn)生壓縮或伸長(cháng)等形狀變化，引起介 質(zhì)表面帶電，這就是正壓電 效應。反之，施加激勵電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱(chēng)逆壓電性。晶體按其對稱(chēng)性可分為 32 個(gè)晶族，其中無(wú)對稱(chēng)中心的 21 個(gè)晶族中有 20 個(gè)晶族有壓電性。最早發(fā)現水晶、酒石酸鉀鈉等少數單晶具有壓電性，由于單晶產(chǎn)量低、難于加工成型，其應用受到限制。1947 年，美國斯羅伯茨在陶瓷上加高壓獲得陶瓷的壓電性。其后，德國、日本、美國、前蘇聯(lián)等國家開(kāi)始對鈦酸鹽進(jìn)行廣泛的研究，發(fā)現鈦酸鋇的壓電性雖比水晶好，但比酒石酸鉀鈉差；壓電性隨溫度和時(shí)間變化比酒石酸鉀鈉小，但是比水晶大。鈦酸鋇壓電性的溫度和時(shí)間變化大的原因是居里溫度（120攝氏度）和第二相變點(diǎn)（0攝氏度）都在室溫附近。為改善鈦酸鋇性能對其進(jìn)行了一系列攙雜的研究。盡管鈦酸鋇的壓電性在 工 程 上有 著(zhù) 廣泛 的應用，但是由于其居里溫度低、工作溫度范圍窄和穩定性差等原因正逐步被后來(lái)發(fā)現的具有許多優(yōu)良特性的鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛所取代。隨著(zhù)電子技術(shù)向高頻和超高頻領(lǐng)域發(fā)展的需要，對鋯鈦酸鉛進(jìn)行廣泛的攙雜改性并發(fā)展了大量的三元系和四元系的固溶體，得到了一系列滿(mǎn)足各種不同需要的鈦酸鉛系功能材料。但隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強，正在著(zhù)手尋找一種無(wú)污染、具有優(yōu)良壓電性能的鈦酸鹽功能材料。鈦酸鉍具有低的介電常數、低的介電損耗、居里溫度高（675攝氏度）和無(wú)鉛污染等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代具有壓電性的“綠色”功能材料。
3、熱釋電性
熱釋電性是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的性質(zhì)。熱釋電效應由于晶體受熱膨脹而引起正負離子相對位移，從而導致晶體的總電矩發(fā)生改變，與壓電效應相類(lèi)似。由于結構方面的原因導致正負電荷中心不重合，這實(shí)際上就是一種自發(fā)極化。人們發(fā)現20 個(gè)具有壓電性的晶族中有 10 個(gè)可以自發(fā)極化的晶族都具有熱釋電性。人們還發(fā)現了許多具有熱釋電效應的晶體，在鈦酸鹽材料中最早發(fā)現鈦酸鋇具有熱釋電性，隨后又發(fā)現的比較重要的是鈦酸鉛和二元、三元改性的鈦酸鉛。
四、合成方法
1、高溫固相合成法：按照化學(xué)計量比充分混合粉末，在真空中高溫（1300℃）煅燒數小時(shí)乃至更長(cháng)的時(shí)間。產(chǎn)品粒度大，純度低，不均勻，反應時(shí)間長(cháng)，能耗高。
2、化學(xué)共沉淀法：沉淀法是制備材料的濕化學(xué)法工藝中最簡(jiǎn)單，成本低產(chǎn)品性狀好的一種方法。
3、水熱法：水熱法合成的鈦酸鹽粉末純度高、粒度小、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)反應溫度低于常規固相合成法。
4、溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠技術(shù)是在低溫和溫和的條件下制備各種金屬復合氧化物納米材料的較普通的方法。其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物具有超細顆粒尺寸高純度和化學(xué)均勻性。溶膠-凝膠法制備納米鈦酸鹽時(shí)，一般將鈦鹽與金屬鹽在適當的溶劑中溶解反應經(jīng)過(guò)溶膠過(guò)程然后形成凝膠，經(jīng)熱處理形成納米鈦酸鹽。
