烧结温度对固态反应法制备AgTaO3晶体的影响

娄本浊

摘要：压电陶瓷材料正朝着无铅压电材料的方向发展。本文以Ag2O与Ta2O5为原料，采用固态反应法在不同烧结温度下合成AgTaO3，并通过XRD、SEM、DSC及拉曼散射等测试手段对材料性能进行表征。研究结果表明，当煅烧温度为850℃时，AgTaO3的晶体结构已经形成。烧结温度为1050℃时，其晶格常数a与c均最小；且所得样品的晶粒大小比较均匀且致密，但部分晶粒产生熔融连接。烧结温度为1150℃时，可观察到相变温度662K与700K，其中662K是由菱方相向单斜相转变所造成的；而700K则是由单斜相向四方相转变所产生的。烧结温度达到1050℃以上才可生成单一的AgTaO3结晶相。

关键词：压电材料；AgTaO3；固态反应法；烧结温度；晶体结构

1 引言

在压电材料中，含铅固溶体由于其制备工艺简单、成本低，又具有良好的力学性能和稳定的压电性能，在压电元件领域一直占据主导地位[1-2]。但这类材料的主要成分PbO或Pb3O4含量约占原料总量的70%，在生产、使用及废弃过程中会给人体和环境带来严重危害[3-4]。随着环保意识的提高，许多对环境与人体有害的物质逐渐被禁止使用，铅金属与含铅化合物已从2002年开始实施阶段性的停止使用，因此无铅压电陶瓷越来越引起人们重视[5]。具有钙钛矿结构的陶瓷材料因具有较高的机电耦合系数，被视为是一种具有广泛应用前景的压电材料[6]。这种结构材料的化学简式为ABO3，其中A为半径较大的阳离子，B为半径较小的阳离子，O为氧离子；而A、B和O则是分别位于立方体的八个角落、体心及面心上[7]。当材料处在居里温度以上时，其内部的结晶形态为立方晶系，此时的正负离子恰好平衡，且不具任何极性；而在居里温度以下时，钙钛矿结构中A或B位置的离子相对于O位置会产生微小位移，使得正电荷中心与负电荷中心不在同一位置上，进而产生电偶极矩[8]。本文将以Ag2O与Ta2O5为原料，采用固态反应法合成AgTaO3。并通过XRD、SEM、DSC及拉曼散射光谱等测试手段对材料的性能进行表征，探讨烧结温度对其晶体结构的影响。

2 实验

将纯度均为99.9%的Ag2O与Ta2O5粉末按相应化学计量比称重后置于塑料瓶中，并加入C2H5OH与磨介ZrO2球放在旋转器上以500rpm转速转动12h，使原料充分研磨；研磨后放入烘箱中100℃烘干，然后将粉末放入坩埚中在高温炉中850℃煅烧3h；将PVA加入煅烧后的粉末中，研磨过筛后获得精细粉末，然后单轴压制成生坯；将生坯置于高温炉中先在500℃下保温1h以去除PVA；然后再分别在950℃、1050℃及1150℃等温度下进行烧结，即可制得不同烧结温度的AgTaO3陶瓷样品。利用X射线衍射仪分析陶瓷样品的晶体结构；利用扫描电镜观测陶瓷样品的微观形貌；利用差热分析仪测量陶瓷样品的相变温度；利用拉曼散射光谱仪分析陶瓷样品在不同烧结温度下分子振动模式的变化。

3 结果与讨论

3.1XRD分析

图1为不同烧结温度下所得陶瓷样品的XRD图谱。由图可知，三个最强的衍射峰值分别出现在2θ为32.1°、46.6°与57.5°的位置上，其它较小的衍射峰值则分别分布在2θ为22.8°、52.4°、67.3°与76.5°的位置上。对比JCPDS资料库中AgTaO3的XRD数据可知，这三个最强峰值分别代表AgTaO3最强的三个晶面（104）、（024）、（214），因此能够确定所得样品形成了以AgTaO3为主体的晶体结构，故可得知煅烧温度为850℃时，AgTaO3的晶体结构已经形成。表1为不同烧结温度下所得陶瓷样品的晶格常数。由表可知，烧结温度由850℃升至950℃时，晶格常数a增大，而晶格常数c减小。烧结温度由950℃升至1050℃时，晶格常数a与c都有变小的趋势。而烧结温度为1050℃时，晶格常数a与c均为最小。烧结温度由1050℃升至1150℃时，晶格常数a与c都有变大的趋势。

3.2SEM分析

图2为不同烧结温度下所得陶瓷样品的SEM图像。由图可知，陶瓷样品的表面形貌随烧结温度不同而有所改变。烧结温度为950℃时，样品表面起伏较大，导致粉体表面非常容易累积电荷，使得影像画面难于聚焦至清晰。烧结温度为1050℃时，由于烧结温度过高，使得样品中部分晶粒产生熔融连接。烧结温度为1150℃时，晶粒熔融连接的现象更为明显，已出现多个尺寸较大的块体。与950℃和1150℃时所得样品相比，1050℃时所得样品的晶粒大小比较均匀且致密，故可判断1050℃应是制备结构良好AgTaO3粉体的最适烧结温度。此外由该图还可看出，晶粒随温度的升高而有变大的趋势，尺寸大小约432nm增至896nm。

3.3DSC及拉曼散射分析

图3为不同烧结温度下所得陶瓷样品的热量变化规律曲线。由图可知，烧结温度为950℃与1050℃时得不到有效数据，即没有检测出相变温度点。其原因可能是信号太弱或温度太低，导致晶格无法形成所致。烧结温度为1150℃时，可以观察到相变温度点662K与700K，其中662K是由菱方相向单斜相转变所造成的，而700K则是由单斜相向四方相转变所产生的。

图4为不同烧结温度下所得陶瓷样品的拉曼散射光谱分析图。由图可知，在这三个烧结温度下所得陶瓷样品的最强特征峰均出现在595cm-1处。烧结温度为1050℃和1150℃时，陶瓷样品在421cm-1处出现了一个峰值，但烧结温度为950℃时却没有出现该峰值，这表明有些振动模式在烧结温度为950℃时还没形成。当烧结温度升至1050℃时才有完整的分子振动模式，而烧结温度升至1150℃后峰值强度又出现减弱的趋势，这可能是由高温烧结所引起的。

4 结论

本文以Ag2O与Ta2O5为原料，采用固态反应法在不同烧结温度下制备了AgTaO3陶瓷。并通过XRD、SEM、DSC及拉曼散射光谱等测试手段对样品的性能进行了表征，探讨了烧结温度对其晶体结构的影响。测试结果表明：当煅烧温度为850℃时，AgTaO3的晶体结构已经形成；且烧结温度为1050℃时其晶格常数a与c均最小。烧结温度为1050℃时所得样品的晶粒大小比较均匀且致密，但部分晶粒产生熔融连接。烧结温度为1150℃时可观察到相变温度662K与700K，其中662K是由菱方相向单斜相转变所造成的；而700K则是由单斜相向四方相转变所产生的。烧结温度升至1050℃以上才可生成单一的AgTaO3结晶相。

参考文献

[1] 程仁志,杨培霞,程冬梅.压电陶瓷的应用进展与发展趋势[J].河南教育学院学报(自然科学版),200918(3):17~19.

[2] 盖学周.压电材料的研究发展方向和现状[J].中国陶瓷,2008,44(5):9~13.

[3] 朱华,江毅.无铅压电陶瓷的研究与展望[J].中国陶瓷,2006,42(12):31~34.

[4] 尹奇异,赁敦敏,肖定全等.无铅压电陶瓷及其应用研究[J].金属功能材料,2004,11(6):40~45.

[5] 赁敦敏,肖定全,朱建国等.无铅压电陶瓷研究开发进展[J].压电与声光,2003,25(2):127-132.

[6] 郭秀盈,肖谧,杜文娟.复合钙钛矿型介质陶瓷材料的研究进展[J].电子元件与材料,2006,25(1):1~4.

[7] 薛冬峰.铌酸锂、钽酸锂晶体的结构特征[J].化学研究,2002,13(4):1~3.

[8] 李娜.钙钛矿晶体的结构与化学键[D].大连:大连理工大学,2010.