[科普中国]-钛酸盐

简介

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盐或氢氧化物与二氧化钛共熔制得。

钛酸钡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。

几种钛酸盐的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、赤铁矿或钢玉，有密切的联系。图为具有钛铁矿结构(空间群R3)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2/3八面体位置被阳离子占用的氧离了的六方密堆积排列。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体。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于层交替堆垛而成。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。1

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。2

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、前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。3

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。