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了解鈦酸鹽使用情況 |
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| 鈦酸鹽產(chǎn)品種類繁多，按其組成可分為堿金屬鈦酸鹽、堿土金屬鈦酸鹽、稀土金屬鈦酸鹽等，有著十分卓越的物理、化學(xué)和光學(xué)性能，在當(dāng)代材料科學(xué)領(lǐng)域中占有重要位置。我國(guó)鈦資源豐富，蘊(yùn)藏量為世界之首，為發(fā)展我國(guó)鈦酸鹽工業(yè)創(chuàng)造了有利條件。 但我國(guó)對(duì)鈦酸鹽類產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很薄弱，與我國(guó)這樣一個(gè)鈦資源大國(guó)極不相稱， 因此對(duì)鈦酸鹽功能材料的開發(fā)研究顯得極為迫切和重要。本文將對(duì)鈦酸鹽功能材料的性質(zhì)、合成方法及用途進(jìn)行介紹。 鈦酸鹽功能材料的性能 固體材料以電性能為標(biāo)準(zhǔn)可分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。大多數(shù)鈦酸鹽材料都屬于絕緣體，但在外電場(chǎng)的作用下晶體內(nèi)部可出現(xiàn)電極化現(xiàn)象，因此它們也是介電體。介電體電極化效應(yīng)的大小用材料兩端積蓄的電荷密度與外加電場(chǎng)強(qiáng)度之比即介電常數(shù)來(lái)表示 。不同的鈦酸鹽材料儲(chǔ)存電荷的能力是不同的，因此介電常數(shù)有大有小。室溫下鈦酸鋇的介電常數(shù)高達(dá)$ ，鈦酸鎂的介電常數(shù)則更小。同時(shí)介電常數(shù)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(shù)高達(dá)6 年法國(guó)人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。 所謂壓電性是指某些介質(zhì)在受到機(jī)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(zhǎng)等形狀變化，引起介質(zhì)表面帶電，這就是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電性。晶體按其對(duì)稱性可分為個(gè)晶族，其中無(wú)對(duì)稱中心的個(gè)晶族有壓電性。 最早發(fā)現(xiàn)水晶、酒石酸鉀鈉等少數(shù)單晶具有壓電性， MN8HNOGGCP ?QORCG9NS 陶瓷上加高壓獲得陶瓷的壓電性。其后，德國(guó)、日本、美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó) 家開始對(duì)鈦酸鹽進(jìn)行廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)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 （!+,-）和第二相變點(diǎn)（,-）都在室溫附近 為改善鈦酸鋇性能對(duì)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廣泛的應(yīng) 用，但是由于其居里溫度低、工作溫度范圍窄和穩(wěn)定 性差等原因正逐步被后來(lái)發(fā)現(xiàn)的具有許多優(yōu)良特性 。隨著電子技術(shù)向高頻和超高頻領(lǐng)域發(fā)展的需要，對(duì)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，得到了一系列滿足各種不同需要的鈦酸鉛系功能材料 。但隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，正在著手尋找一種無(wú)污染、具有優(yōu)良?jí)弘娦阅艿拟佀猁}功能材料。 鈦酸鉍具有低的介電常數(shù)、低的介電損耗、居里溫度高（/$.-）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。 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(yīng)由于晶體受熱膨脹而引起正負(fù)離子相對(duì)位移，從而導(dǎo)致晶體的總電矩發(fā)生改變，與壓電效應(yīng)相類似。由于結(jié)構(gòu)方面的原因?qū)е抡?fù)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(xiàn)在 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(xiàn)了許多具有熱釋電效應(yīng)的晶體，在鈦酸鹽材料中最早發(fā) 現(xiàn)鈦酸鋇具有熱釋電性，隨后又發(fā)現(xiàn)的比較重要的個(gè)可以自發(fā)極化的晶族中，有些晶族在外電場(chǎng)之下，具有極化轉(zhuǎn)移的特性。由于晶格結(jié)構(gòu)變形，使離子偏離其平衡位置而形成電偶極矩。當(dāng)施 加外電場(chǎng)時(shí)，會(huì)使電偶極矩順電場(chǎng)方向排列，而在電場(chǎng)移去后，仍能保持極化方向的殘留值，此種特性即 成為鐵電性。 由于鐵電性質(zhì)的發(fā)生和單位晶格內(nèi)不對(duì)稱性有 絕對(duì)的關(guān)系，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇在溫度高于臨界溫度（居里溫度）時(shí)，其結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單立方晶格，晶格參數(shù)為 #34；此時(shí)的結(jié)構(gòu)為對(duì)稱性，不具有自發(fā)極化性；但是當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，其晶格中的鈦離子與鋇離子會(huì)偏離原本對(duì)稱的晶格位置，而促使電偶極的形成，使鈦酸鋇成為位移 型轉(zhuǎn)變的鐵電體。 所謂的正溫度系數(shù)（A’B）效應(yīng)是指當(dāng)溫度低于某一臨界值時(shí)呈半導(dǎo)體導(dǎo)電狀態(tài)；但當(dāng)溫度超過(guò)這一臨界值時(shí)，電阻率突然增加到 半導(dǎo)化后可獲得正溫度系數(shù)特性。鈦酸鋇在居里溫度附近電阻急劇增大的原因是傳導(dǎo)電子在居 里點(diǎn)附近穿越半導(dǎo)體化的鈦酸鋇晶界時(shí)，介電常數(shù)的少許增加會(huì)引起敏感的阻擋作用，使電阻增大。 但這種現(xiàn)象在單晶中幾乎見不到，在許多晶粒的致密集合體中很顯著。 光學(xué)性能（!）光催化性能光催化研究中大多數(shù)是以作為光催化劑，由于其催化活性還不夠高，實(shí)用化研究進(jìn)程長(zhǎng)期以來(lái)未有較大的突破。 近些年來(lái)，人們圍繞鈦酸鹽功能材料進(jìn)行研究，探索新型光催化劑取得了一些重要進(jìn)展八面體單元經(jīng)過(guò)共邊或共頂角形成的帶負(fù)電荷的二維層狀氧化物和層間堿金屬陽(yáng)子構(gòu)成，有半導(dǎo)體活性，在適當(dāng)?shù)臈l件下可實(shí)現(xiàn)光解水。用過(guò)渡金屬部分取代三鈦酸鹽和 四鈦酸鹽中的一部分鈦制得多孔柱狀光催化材料實(shí)現(xiàn)光解水，其突出的特點(diǎn)是能利用層狀空間作為合 適的反應(yīng)點(diǎn)以抑制逆反應(yīng)，提高反應(yīng)效率。）光催化性能的研究是近幾年才開始的。目前主要研究堿土金屬鈦酸鹽 位進(jìn)行了部分摻雜改性，使完整的晶型產(chǎn)生缺陷和畸變，體系能量升高，無(wú)序性增大，形成了摻雜能級(jí)，從而有利于光的吸收和光生電 子對(duì)的分離，催化性能得到改善。 光催化機(jī)理是當(dāng)光波能量大于鈦酸鹽的禁帶寬 度時(shí)，鈦酸鹽吸收光能產(chǎn)生較高能量的電子和空穴，電子和空穴與水及溶解氧作用，產(chǎn)生高化學(xué)活性的自由基。這種自由基對(duì)反應(yīng)物幾乎無(wú)選擇性，最終達(dá)到光催化作用。 光致變色性 光致變色性是指物質(zhì)在某些波長(zhǎng)的光照射下， 其顏色會(huì)發(fā)生可逆變化的性質(zhì) 。具有高介電常數(shù)的鈦酸鹽 具有光致變色性質(zhì)。光致變色現(xiàn)象本質(zhì)上是一種物質(zhì)在兩個(gè)具有不 同吸收譜的能態(tài)間的可逆變化。鈣鐵礦結(jié)構(gòu)的 填充八面體空隙的四分之一。從離子半徑考慮，過(guò)渡金屬離子一般是取代 ，由于電中性的要求，晶體中將產(chǎn)生氧空位。一個(gè)氧空位可以補(bǔ)償兩個(gè) 帶來(lái)的正電價(jià)不足，這樣 來(lái)說(shuō)，晶體中這兩種位置的濃度是相等的。() 比對(duì)電子有更強(qiáng)的吸引力，成為晶體中的一種電子俘獲中心；而() 將成為晶體中的一種空穴俘獲中心。-/"#$ 晶體的介電常數(shù)較大，所以這兩種中心通常情況下都能穩(wěn)定存在。受到光照，如果光 子能量大于其禁帶寬度，出現(xiàn)光生電子和光生空穴。 光生電子將被 的產(chǎn)生改變了原來(lái)晶體的吸收譜，出現(xiàn)變色效應(yīng) （%）光折變效應(yīng)光折變效應(yīng)是材料在光輻射下折射率隨光強(qiáng)度空間分布而變化的效應(yīng)，是一種非局域的非線性光 學(xué)效應(yīng)。當(dāng)光場(chǎng)作用于具有鐵電性的鈦酸鋇時(shí)，在鈦酸鋇中激發(fā)起載流子（電子成空穴），載流子在物 質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，形成空間電荷分布，進(jìn)而形成空間電場(chǎng)。 所形成的空間電場(chǎng)，再作用到鈦酸鋇上，產(chǎn)生普克爾效應(yīng)（一級(jí)電光效應(yīng)），從而使物質(zhì)折射率發(fā)生變 。光折變性最重要的是要求晶體具有盡可能大的電光效應(yīng)，這依賴于晶體中施主或受主雜質(zhì)的 能級(jí)與濃度，陷阱能級(jí)與濃度以及光生載流子的遷 移率與漂移長(zhǎng)度等綜合性能其他光學(xué)性能有些過(guò)渡金屬鈦酸鹽如鈦酸鈷、鈦酸鎳等由于 其本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)顯示一定的顏色，因此可用作涂 層材料的調(diào)色劑。這種顏料的化學(xué)惰性大，能耐絕 大多數(shù)的普通酸類和堿類；抗氧化性能和抗還原性 能均很強(qiáng)；耐光性很強(qiáng)，長(zhǎng)期日曬暴露也不會(huì)褪色或 變色；耐候性也非常好，以及有很高的耐熱性，近年 來(lái)備受人們關(guān)注 色散和折射指數(shù)很高，幾乎與寶石接近，因而可用來(lái)制造人造寶石。摻 雜多種金屬氧化物可得到各種顏色的寶石（加鎳可 產(chǎn)生黃色）。最近發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇（ 677）在交流電作用下可產(chǎn)生電致發(fā)光效應(yīng)，這一性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)為鈦酸鹽功能材料性能增添新的內(nèi)容。 化學(xué)性能（6）催化性能 具有鈣鈦結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽（!8$ ）不僅具有光催化性能，還有催化氧化性能。其催化氧化機(jī)理為：! 離子不直接參加催化作用，本質(zhì)上僅起到調(diào)整"#—$ 鍵的作用。在催化劑中氧化的活性位是 離子，在高溫作用下，"# ，相應(yīng)地等量的晶格氧放出，形成足夠的氧化活性，達(dá)到催化氧化的作用。 對(duì)于過(guò)渡金屬鈦酸鹽 ，鈦僅起到固定過(guò)渡金屬離子的作用。由于過(guò)渡金屬離子的核外層有空的 軌道，具有很強(qiáng)的捕捉電子對(duì)的能力，能將硫原子的孤對(duì)電子捕獲，達(dá)到催化脫硫的效果。馮守華等 合成具有層狀、孔道結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽分子篩，發(fā)現(xiàn)其在烴類選擇氧化反應(yīng)中顯示了優(yōu)良的催化性 能，為綠色化學(xué)化工的研究與開發(fā)譜寫新的篇章。 最近見報(bào)道利用 是高介電常數(shù)的鐵電體作催化劑 ，對(duì)空氣中的有機(jī)廢氣二氯甲烷進(jìn)行治理。在電暈反應(yīng)器中加入 催化劑后，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生脈沖電暈放電時(shí)，在 顆粒周圍形成強(qiáng)脈沖電場(chǎng)，使得 顆粒間的接觸點(diǎn)處產(chǎn)生了部分電暈放電，增強(qiáng)了電暈反應(yīng)器內(nèi)電暈放電流 柱；相應(yīng)地提高了所形成的非平衡等離子體中荷能 電子的能量與密度，使得在與二氯甲烷、氧氣等分子 的非彈性碰撞中，有效碰撞率提高，產(chǎn)生了較多的活 性物種，提高了降解二氯甲烷的反應(yīng)活性，二氯甲烷 的轉(zhuǎn)化率也提高了。 馮秀麗等鈦酸鹽功能材料的研究與應(yīng)用 （!）其他性能 具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鈣等鈦 酸鹽都有很高的熔點(diǎn)，耐熱性好。具有層狀結(jié)構(gòu)的 固定在層間，使其化學(xué)穩(wěn)定性最好，具有優(yōu)異的耐熱、耐酸、耐 堿性能 個(gè)氧原子所包圍，#$& 八面體通過(guò)共用邊相聯(lián)接。鈦酸鋁能以兩種穩(wěn)定的形式即 -!./的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。由于鈦酸鋁有良好的抗熱沖擊性、非常低的熱膨脹系數(shù)和高的熔 點(diǎn)，是一種理想的隔熱材料 隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)有些鈦酸鹽功能材料還具有電流變性、吸波性、離子吸附性及生物 適應(yīng)性 和相應(yīng)的金屬碳酸鹽或金屬氧化物為原料，加入 13的45& 作為 除雜劑，在高溫下預(yù)燒 *../燒結(jié)，并按一定的冷卻速度降溫使其結(jié)晶，即可得到鈦酸鹽微粉。 該方法合成鈦酸鹽的原料晶粒尺寸受燒結(jié)溫度 的影響，燒結(jié)溫度高，晶粒尺寸趨于減小。同時(shí)降溫 速度也影響到粉體的性質(zhì)，一般將降溫速度控制在 8$5較為合適。 固相燒結(jié)法具有合成時(shí)間短、污染少、工藝簡(jiǎn)單 等特點(diǎn)，曾經(jīng)是各國(guó)研究的主要方向。如前蘇聯(lián)用 這種方法制備的粉體成功地合成了數(shù)百種陶瓷材 料，并形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)；日本也有固相燒結(jié)法工業(yè)化 生產(chǎn)的報(bào)道；國(guó)內(nèi)目前主要采用此方法制備鈦酸鹽 粉體。但是固相燒結(jié)法對(duì)原材料要求高，產(chǎn)品難以 達(dá)到分子級(jí)混合，能量消耗大，容易引進(jìn)雜質(zhì)，其純 度、均勻性較差，粒徑大，反應(yīng)難以控制。因此該方 法有被其它方法代替的趨勢(shì)。 （!）機(jī)械力化學(xué)合成法 機(jī)械力化學(xué)是研究固體物質(zhì)在加機(jī)械能量時(shí)固 體形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，并誘導(dǎo)物理化學(xué)變化 的一門學(xué)科。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械力化學(xué)法 成為制備納米陶瓷材料的重要方法之一。+9: 為原料經(jīng)高能球磨 報(bào)道在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，采用高能球磨 混合粉體，用機(jī)械力化學(xué)法成功地合成了晶體尺寸為 ’.—(.58 該方法合成鈦酸鋇的原料晶粒尺寸、顆粒的形貌、相組成及其反應(yīng)機(jī)制都受球磨時(shí)間的影響。該 方法具有原料易得和工藝過(guò)程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但應(yīng)用 仍不廣泛，需要拓展，其過(guò)程與機(jī)制還需進(jìn)一步 研究。 （’）沉淀A燒結(jié)法化學(xué)沉淀法是在金屬鹽類的水溶液中，控制適 當(dāng)?shù)臈l件使沉淀劑與金屬離子反應(yīng)，產(chǎn)生水合氧化 物或難溶化合物，使溶質(zhì)轉(zhuǎn)化為沉淀，然后經(jīng)分離、 干燥或煅燒而得到納米超微粒。根據(jù)化學(xué)沉淀劑的 不同可分為草酸鹽沉淀法、碳酸鹽沉淀法和雙氧水 共沉淀法三種。 該法是將精制的金屬鹽、四氯化鈦溶液混合后，在0.—’../時(shí)滴加草酸溶液，物料中金屬鹽、四氯 化鈦、草酸的比為 微粒。該方法工藝簡(jiǎn)單，可以在沉淀過(guò)程中實(shí)現(xiàn)摻雜，使摻雜 劑均勻地分布于鈦酸鋇粉體中，十分有利于其半導(dǎo) 體化。但此法容易帶入雜質(zhì)，純度偏低，煅燒溫度較 高，往往促使鈦酸鋇粒子發(fā)生不同程度的團(tuán)聚，且粒 度目前只能達(dá)到’ ...58 左右。為了克服上述 摩爾比較難控制的缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)方法。其依據(jù)是：草酸易溶于乙醇中，而 則不溶。這樣，把草酸的乙醇溶液加入到金屬鹽、四氯化鈦的混合水溶液中，就可沉淀出化學(xué)計(jì) 。為了確保所有的陽(yáng)離子都能從水溶液中沉淀出來(lái)，乙醇必須過(guò)量。但是，該改進(jìn)方法的生 產(chǎn)成本高，難于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。 比的關(guān)鍵因素；反應(yīng)條件、煅燒溫度對(duì)粒度具有決定作用。該法的原料雖然便宜易得，但煅 燒溫度高，鋇、鈦分布均勻性較差。 雙氧水共沉淀法將工業(yè)制備鈦白粉的中間廉價(jià)原料偏鈦酸用去 離子水洗滌，洗去基體中的雜質(zhì)，洗凈后在 干，得到提純的偏鈦酸。然后將雙氧水、提純的偏鈦酸、氨水在’ 的水溶液滴加到桔黃色澄清液中，有沉淀生成。將沉淀抽濾、洗滌、檢驗(yàn)至無(wú)金屬離子 納米粉末〔11，12〕 過(guò)氧化氫和氨水的量要嚴(yán)格控制：太少，偏鈦酸不易溶解；太多，金屬鹽反應(yīng)劇烈不易控制。張?jiān)适?由小到大變化制得的鈦酸鋇的純度低于 由大到小變化的情況。況且在生成沉淀時(shí)伴隨有氣體生成，溶液中這些氣泡的生成在 一定程度上阻止核的增長(zhǎng)，這正是此方法制備各種 納米鈦酸鹽的優(yōu)點(diǎn)之一。 （/）溶膠4凝膠法 溶膠4凝膠法指金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽水解成溶膠， 然后使溶膠凝膠化，再將凝膠干燥焙燒后得到納米 〔15〕將適量醋酸鋇在一定溫度下充分 溶解于醋酸水溶液中；另將一定比例的經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化 處理的鈦酸丁酯的無(wú)水乙醇溶液加入到上述醋酸鋇 溶液中，充分混合均勻，得到清澈的先驅(qū)體溶液；再 向溶液中加入適量冰醋酸，在空氣中放置 /.6，形成 透明凝膠；將凝膠烘干后，加熱處理即得 78"#0 粉。柏朝暉等〔2%〕 在室溫下將鈦酸丁酯溶于異丙醇 中攪拌，滴加冰醋酸，得近乎透明的鈦酰型化合物溶 液；在劇烈攪拌下，滴加乙酸溶液溶解氫氧化鋇的混 合溶液，繼續(xù)攪拌使水解反應(yīng)完全；將反應(yīng)混合物置 59&的水浴中凝膠化，使發(fā)生溶膠4凝膠化轉(zhuǎn)化，得近乎透明的凝膠體；待凝膠老化后取出搗碎，在真 空干燥箱中于 ’/%&溫度下充分干燥、研碎，置于電 阻爐煅燒后取出冷卻，研細(xì)即得 78"#0 也很多。溶膠4凝膠法所得粉體的粒徑受 值影響較大。在工藝過(guò)程中不引入雜質(zhì)，所得粉體粒徑小、純 度高、粒徑分布窄。但其原料價(jià)格昂貴、粉體的生產(chǎn) 成本較高，并且體系中有機(jī)溶劑及其添加劑常含有 一定的毒性，對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染，因此限制 了其工業(yè)化進(jìn)程。其次，溶膠4凝膠法制備 78"#0 納米粉體常溫大多為立方相，并且其反應(yīng)周期長(zhǎng)，工藝條件不易控制，產(chǎn)量小，難以放大和工業(yè)化。 水熱法是通過(guò)在密封壓力容器中的適合水熱條件下的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)原子、分子級(jí)的微粒構(gòu)筑和晶 體生長(zhǎng)。 溶液與一定形式的鈦源等混合后轉(zhuǎn)入到高壓釜中，在一定的溫度和壓力下 水熱合成晶化的 的理化性能與水熱條件、3- 值、溫度、反應(yīng)物 值及所用鈦源的種類有直接關(guān)系。對(duì)于水熱法制備 78"#0 對(duì)于78"#0 的水熱合成的影響因素、發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題做了一篇專門的論述。 該法原材料廉價(jià)，制備的粉體晶粒發(fā)育完整、粒度分 布均勻、顆粒間團(tuán)聚少，可得到理想化學(xué)計(jì)量比的材 料，而且可一步合成、產(chǎn)率高。該法制備 78"#0 納米粉體多為立方相，直接得到四方相很困難。 最近又見報(bào)道用水熱法直接合 〔25〕。徐華蕊等將氯化鋇、四氯化鈦和過(guò)量的 氫氧化鈉混合成溶液，轉(zhuǎn)入到高壓釜中，密閉后升溫 反應(yīng)一段時(shí)間后，將所得的沉淀物過(guò)濾、洗滌、干燥 得到四方相 78"#0 。提高氫氧化鈉過(guò)量濃度和降低四氯化鈦濃度都有利于四方相的生成。該方法原材 料廉價(jià)，產(chǎn)物有較高的純度，從而為該納米粉末的產(chǎn) 業(yè)化提供了簡(jiǎn)便條件。 高溫水熱法制備鈦酸鋇納米粉末在日本和美國(guó) 已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)。該法需要較高的溫度和壓力，設(shè) 備投資大，目前在國(guó)內(nèi)該法基本上處于實(shí)驗(yàn)室探索 階段。 最近又出現(xiàn)了微波加熱法 、超聲分散法、微乳液法 等合成方法，目前基本上處于實(shí)驗(yàn)室探索的階段。 四、鈦酸鹽功能材料的應(yīng)用 電學(xué)方面應(yīng)用利用鈦酸鹽材料儲(chǔ)存電荷的能力可用來(lái)制備電 容器。長(zhǎng)期以來(lái)鈦酸鋇一直是國(guó)際電工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中 高介系列和低電容溫度系數(shù)系列陶瓷電容器的主流 介質(zhì)材料，在電容器市場(chǎng)乃至整個(gè)電子陶瓷市場(chǎng)占 有重要地位，被譽(yù)為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”。 ’5.2 年，第一個(gè)壓電陶瓷器件———鈦酸鋇拾音 馮秀麗等鈦酸鹽功能材料的研究與應(yīng)用 器誕生了。這種材料性能優(yōu)異、制造簡(jiǎn)單、成本低 廉、應(yīng)用廣泛。在航天領(lǐng)域，利用鈦酸鹽材料壓電性 制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi) 星的“舵”，靠它航天器和人造衛(wèi)星才能保證其既定 的方位和航線。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺壽命短、精度差，靈 敏度也低，不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。 而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。在日 常生活中，利用鈦酸鹽材料能將外力轉(zhuǎn)換成電能的 特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng) 光電源、炮彈引爆裝置。用兩個(gè)直徑 的壓電陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一種可連續(xù)打火幾萬(wàn)次 的氣體電子打火機(jī)。利用同一原理制成的電子點(diǎn)火 槍是點(diǎn)燃煤氣爐極好的用具。利用鈦酸鹽陶瓷的壓 阻效應(yīng)制成智能陶瓷雨刷，可以自動(dòng)感知雨量，自動(dòng) 將轎車擋風(fēng)玻璃上的雨刷調(diào)節(jié)到最佳速度。用鈦酸 鹽材料能把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，可以用來(lái)探尋水 下魚群的位置和形狀，對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損探傷，以及超 聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊 接裝置及烙鐵，對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。最近科 學(xué)時(shí)報(bào) 報(bào)道了日本電氣東金公司發(fā)明的一種骨導(dǎo)式助聽器。該助聽器由鈦酸鹽材料制成的壓電元 件和把聲音變?yōu)檎駝?dòng)信號(hào)的放大器組成。這種新型 助聽器可以貼在太陽(yáng)穴附近，通過(guò)頭骨振動(dòng)讓人感 知外界風(fēng)吹草動(dòng)，故名“骨導(dǎo)式助聽器”，這對(duì)耳聾者 實(shí)在是一種福音。它的重量只有 ’(，是此前最小的 助聽器的 )*"，耗電量也只有 )*)+。隨著高新技術(shù)的 發(fā)展，鈦酸鹽材料壓電性的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。 早在 年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到 年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效 應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體應(yīng)用。近年來(lái)，利用鈦酸 鹽材料的熱釋電性制成紅外傳感器已被廣泛用于家 電設(shè)備中。與光子傳感器相比，它的傳感效果好，可 在室溫下運(yùn)行而且不受紅外線波長(zhǎng)的影響，在紅外 探測(cè)方面開始表現(xiàn)出高靈敏、快響應(yīng)、寬光譜等 優(yōu)點(diǎn)。 具有鐵電性的鈦酸鹽有剩余極化強(qiáng)度，因而可 用來(lái)作信息存儲(chǔ)、圖像顯示。目前已經(jīng)研制出一些 透明鈦酸鹽陶瓷器件，如鐵電存儲(chǔ)和顯示器件、光 閥、全息照相器件等，就是利用外加電場(chǎng)（!）使鐵電 疇作一定取向的性質(zhì)。由于具有鐵電性的鈦酸鹽的 極化隨 變。利用鈦酸鋇晶體的電光效應(yīng)可制作光調(diào)制器、晶體光閥、電光開關(guān)等光器件，目前已經(jīng)應(yīng)用到激光 技術(shù)中。 鈦酸鋇基 元件的實(shí)用化始于&+年代初期。 在我國(guó)對(duì) 元件的電阻溫度特性、電壓電流特性和電流時(shí)間特性可供溫度補(bǔ)償、溫度 檢測(cè)和限制電流，在家電和工業(yè)電控領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。 能源方面的應(yīng)用目前迫切需要儲(chǔ)能豐富的新型能源。氫能熱值 高，燃燒 03；資源豐富，地球表面豐富的水資源，水中含氫量達(dá) )4；干凈、無(wú)毒、燃燒后生成水，不產(chǎn)生二次污染；應(yīng)用范圍廣，適 應(yīng)性強(qiáng)。因此氫能是未來(lái)理想的能源，氫能的開發(fā) 和利用成為世界各國(guó)特別關(guān)注的科技領(lǐng)域。 利用鈦酸鹽功能材料的光催化性，光解水制氫 是一條簡(jiǎn)潔、廉價(jià)的合成路線，國(guó)內(nèi)外已有多篇文獻(xiàn) 報(bào)道。這為人類開發(fā)新型無(wú)污染、可持續(xù)利用的能 源開辟一條道路。 最早由日本石原產(chǎn)業(yè)公司開發(fā)出了作為鋰離子 二次電池材料的高性能鈦酸鋰，具有幾乎與理論容 量相等的充放電容量。由于鈦酸鋰在充放電反應(yīng)中 無(wú)體積變化，作為可長(zhǎng)期使用的二次電池材料引人 注目。但由于其很難構(gòu)成高電壓電池，因此迄今為 止只能在有限的范圍內(nèi)使用。目前，由于有效利用 鈦酸鋰特點(diǎn)的周邊環(huán)境不斷改善，因此對(duì)該材料的 關(guān)注也增加了。 利用鈦酸鹽功能材料的催化性能，由 水合制取低碳醇成為眾人關(guān)注的課題。該法與傳統(tǒng)的發(fā) 酵法、烯烴水合法和合成氣法相比，不僅無(wú)酸污染， 而且節(jié)省了糧食、石油、貴金屬。鈦酸鹽作催化劑， 從乙烷催化脫氫制取乙烯與傳統(tǒng)的熱解脫氫法相 比，不僅減少能耗，而且轉(zhuǎn)化率大大提高。 環(huán)保方面的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題 日益受到人們關(guān)注。催化在環(huán)境治理中也發(fā)揮了重 要作用。 用鈦酸鹽功能材料作催化劑，催化凈化氣態(tài)污 染物無(wú)需使污染物與主氣流分離而把它直接轉(zhuǎn)化為 無(wú)害物，因而既避免了吸收、吸附等凈化方法可能產(chǎn) 生的二次污染，又使操作過(guò)程得到簡(jiǎn)化。因此催化 方法凈化氣態(tài)污染物正日益受到人們的重視。 汽油中的硫化物燃燒生成的 65 是汽車尾氣中的主要污染物之一。汽油中約有 ,+4的硫來(lái)自催 化裂化汽油組分，降低催化裂化汽油的硫含量是降 低汽油硫含量的關(guān)鍵。利用過(guò)渡金屬鈦酸鹽作催化劑，過(guò)渡金屬離子的核外層有空的 軌道，能將硫原子的孤對(duì)電子捕獲，達(dá)到催化脫硫的效果。 合成染料廠和印染廠每年都要排放大量的有色 廢水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)廢水排放量大約為 萬(wàn)噸，有效地處理這么多廢水是環(huán)境保護(hù)工作亟待解決的難題。目前采用鈦酸鹽光催化劑， 借助太陽(yáng)能處理污水的研究工作開展得十分活躍。 它的特點(diǎn)是可以使不同種類的染料降解脫色；分解 的產(chǎn)物主要是無(wú)毒的 其他方面的應(yīng)用鈦酸鋁有良好的抗熱沖擊性，非常低的熱膨脹 系數(shù)和高的熔點(diǎn)，是一種用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、排 氣道理想的隔熱材料。用它制作的排氣管、排氣道 組裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上，可以保持排氣的高溫，防止熱量流 失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。這對(duì)于沙漠車、軍用越野 車、坦克車具有特別重要的實(shí)際意義。鈦酸鈷和鈦 酸鎳等被廣泛用作表面涂層材料調(diào)色劑；鈦酸鈣是 處理核廢料的一種材料； 最近研究發(fā)現(xiàn) 鈦酸鉀的熱膨脹系數(shù)與鈦合金基本相近，可彌補(bǔ)羥基磷灰石生物涂層材料的不足，有望成為一種優(yōu)秀的生物醫(yī)用材料；最近日本研究發(fā)現(xiàn) 酸鉀可吸附放射性物質(zhì)鍶和銫，為其應(yīng)用開發(fā)了新的領(lǐng)域；最近發(fā)現(xiàn)納米 非常敏感，利用其氣敏特性可制備氣體傳感器。 五、結(jié)束語(yǔ) 一直以來(lái)鈦酸鹽產(chǎn)品的制備、性能、應(yīng)用是材料科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)納米材料已在許多科學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，納米鈦酸鹽粉體的制備研究已成為納米科技領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，各種制備技術(shù)得到了很大發(fā)展。但其制備方法仍有許多問題需要探索。關(guān)于納米鈦酸鹽性能研究還很不夠，關(guān)于具有孔道結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽的報(bào)道并不多，這應(yīng)引起該領(lǐng)域的科技工作者的注意。 基于其優(yōu)異的物理性能， 隨著制備方法的改進(jìn)和研究手段的拓寬，以及材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科和化學(xué)工程等方面研究的密切配合和協(xié)作，鈦酸鹽功能材料必將有著十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。 |