燒結(jié)溫度對固態(tài)反應(yīng)法制備AgTaO₃晶體的影響

婁本濁

摘要：壓電陶瓷材料正朝著無鉛壓電材料的方向發(fā)展。本文以Ag2O與Ta2O5為原料，采用固態(tài)反應(yīng)法在不同燒結(jié)溫度下合成AgTaO3，并通過XRD、SEM、DSC及拉曼散射等測試手段對材料性能進行表征。研究結(jié)果表明，當(dāng)煅燒溫度為850℃時，AgTaO3的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。燒結(jié)溫度為1050℃時，其晶格常數(shù)a與c均最??；且所得樣品的晶粒大小比較均勻且致密，但部分晶粒產(chǎn)生熔融連接。燒結(jié)溫度為1150℃時，可觀察到相變溫度662K與700K，其中662K是由菱方相向單斜相轉(zhuǎn)變所造成的；而700K則是由單斜相向四方相轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的。燒結(jié)溫度達到1050℃以上才可生成單一的AgTaO3結(jié)晶相。

關(guān)鍵詞：壓電材料；AgTaO3；固態(tài)反應(yīng)法；燒結(jié)溫度；晶體結(jié)構(gòu)

1 引言

在壓電材料中，含鉛固溶體由于其制備工藝簡單、成本低，又具有良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定的壓電性能，在壓電元件領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。但這類材料的主要成分PbO或Pb3O4含量約占原料總量的70%，在生產(chǎn)、使用及廢棄過程中會給人體和環(huán)境帶來嚴(yán)重危害[3-4]。隨著環(huán)保意識的提高，許多對環(huán)境與人體有害的物質(zhì)逐漸被禁止使用，鉛金屬與含鉛化合物已從2002年開始實施階段性的停止使用，因此無鉛壓電陶瓷越來越引起人們重視[5]。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷材料因具有較高的機電耦合系數(shù)，被視為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的壓電材料[6]。這種結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)簡式為ABO3，其中A為半徑較大的陽離子，B為半徑較小的陽離子，O為氧離子；而A、B和O則是分別位于立方體的八個角落、體心及面心上[7]。當(dāng)材料處在居里溫度以上時，其內(nèi)部的結(jié)晶形態(tài)為立方晶系，此時的正負(fù)離子恰好平衡，且不具任何極性；而在居里溫度以下時，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中A或B位置的離子相對于O位置會產(chǎn)生微小位移，使得正電荷中心與負(fù)電荷中心不在同一位置上，進而產(chǎn)生電偶極矩[8]。本文將以Ag2O與Ta2O5為原料，采用固態(tài)反應(yīng)法合成AgTaO3。并通過XRD、SEM、DSC及拉曼散射光譜等測試手段對材料的性能進行表征，探討燒結(jié)溫度對其晶體結(jié)構(gòu)的影響。

2 實驗

將純度均為99.9%的Ag2O與Ta2O5粉末按相應(yīng)化學(xué)計量比稱重后置于塑料瓶中，并加入C2H5OH與磨介ZrO2球放在旋轉(zhuǎn)器上以500rpm轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動12h，使原料充分研磨；研磨后放入烘箱中100℃烘干，然后將粉末放入坩堝中在高溫爐中850℃煅燒3h；將PVA加入煅燒后的粉末中，研磨過篩后獲得精細(xì)粉末，然后單軸壓制成生坯；將生坯置于高溫爐中先在500℃下保溫1h以去除PVA；然后再分別在950℃、1050℃及1150℃等溫度下進行燒結(jié)，即可制得不同燒結(jié)溫度的AgTaO3陶瓷樣品。利用X射線衍射儀分析陶瓷樣品的晶體結(jié)構(gòu)；利用掃描電鏡觀測陶瓷樣品的微觀形貌；利用差熱分析儀測量陶瓷樣品的相變溫度；利用拉曼散射光譜儀分析陶瓷樣品在不同燒結(jié)溫度下分子振動模式的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1XRD分析

圖1為不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的XRD圖譜。由圖可知，三個最強的衍射峰值分別出現(xiàn)在2θ為32.1°、46.6°與57.5°的位置上，其它較小的衍射峰值則分別分布在2θ為22.8°、52.4°、67.3°與76.5°的位置上。對比JCPDS資料庫中AgTaO3的XRD數(shù)據(jù)可知，這三個最強峰值分別代表AgTaO3最強的三個晶面（104）、（024）、（214），因此能夠確定所得樣品形成了以AgTaO3為主體的晶體結(jié)構(gòu)，故可得知煅燒溫度為850℃時，AgTaO3的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。表1為不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的晶格常數(shù)。由表可知，燒結(jié)溫度由850℃升至950℃時，晶格常數(shù)a增大，而晶格常數(shù)c減小。燒結(jié)溫度由950℃升至1050℃時，晶格常數(shù)a與c都有變小的趨勢。而燒結(jié)溫度為1050℃時，晶格常數(shù)a與c均為最小。燒結(jié)溫度由1050℃升至1150℃時，晶格常數(shù)a與c都有變大的趨勢。

3.2SEM分析

圖2為不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的SEM圖像。由圖可知，陶瓷樣品的表面形貌隨燒結(jié)溫度不同而有所改變。燒結(jié)溫度為950℃時，樣品表面起伏較大，導(dǎo)致粉體表面非常容易累積電荷，使得影像畫面難于聚焦至清晰。燒結(jié)溫度為1050℃時，由于燒結(jié)溫度過高，使得樣品中部分晶粒產(chǎn)生熔融連接。燒結(jié)溫度為1150℃時，晶粒熔融連接的現(xiàn)象更為明顯，已出現(xiàn)多個尺寸較大的塊體。與950℃和1150℃時所得樣品相比，1050℃時所得樣品的晶粒大小比較均勻且致密，故可判斷1050℃應(yīng)是制備結(jié)構(gòu)良好AgTaO3粉體的最適燒結(jié)溫度。此外由該圖還可看出，晶粒隨溫度的升高而有變大的趨勢，尺寸大小約432nm增至896nm。

3.3DSC及拉曼散射分析

圖3為不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的熱量變化規(guī)律曲線。由圖可知，燒結(jié)溫度為950℃與1050℃時得不到有效數(shù)據(jù)，即沒有檢測出相變溫度點。其原因可能是信號太弱或溫度太低，導(dǎo)致晶格無法形成所致。燒結(jié)溫度為1150℃時，可以觀察到相變溫度點662K與700K，其中662K是由菱方相向單斜相轉(zhuǎn)變所造成的，而700K則是由單斜相向四方相轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的。

圖4為不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的拉曼散射光譜分析圖。由圖可知，在這三個燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的最強特征峰均出現(xiàn)在595cm-1處。燒結(jié)溫度為1050℃和1150℃時，陶瓷樣品在421cm-1處出現(xiàn)了一個峰值，但燒結(jié)溫度為950℃時卻沒有出現(xiàn)該峰值，這表明有些振動模式在燒結(jié)溫度為950℃時還沒形成。當(dāng)燒結(jié)溫度升至1050℃時才有完整的分子振動模式，而燒結(jié)溫度升至1150℃后峰值強度又出現(xiàn)減弱的趨勢，這可能是由高溫?zé)Y(jié)所引起的。

4 結(jié)論

本文以Ag2O與Ta2O5為原料，采用固態(tài)反應(yīng)法在不同燒結(jié)溫度下制備了AgTaO3陶瓷。并通過XRD、SEM、DSC及拉曼散射光譜等測試手段對樣品的性能進行了表征，探討了燒結(jié)溫度對其晶體結(jié)構(gòu)的影響。測試結(jié)果表明：當(dāng)煅燒溫度為850℃時，AgTaO3的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成；且燒結(jié)溫度為1050℃時其晶格常數(shù)a與c均最小。燒結(jié)溫度為1050℃時所得樣品的晶粒大小比較均勻且致密，但部分晶粒產(chǎn)生熔融連接。燒結(jié)溫度為1150℃時可觀察到相變溫度662K與700K，其中662K是由菱方相向單斜相轉(zhuǎn)變所造成的；而700K則是由單斜相向四方相轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的。燒結(jié)溫度升至1050℃以上才可生成單一的AgTaO3結(jié)晶相。

參考文獻

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