元素配比对BiFeO3反应烧结相变影响的高温X射线衍射研究

多铁性材料BiFeO3样品中Bi25FeO39、Bi2Fe4O9等杂相的存在增加了漏电流,影响了对其磁电耦合机制与调控的深入研究,然而纯相BiFeO3陶瓷的制备一直是材料合成中的难点,其中一个主要原因是对其相变规律的认识还不充分。本研究采用高温原位X射线衍射技术(HT-XRD)及Rietveld精修定量的方法,并结合高温拉曼光谱技术(HT-Raman),系统地研究了不同配比(1:1,1.03:1,1.05:1)Bi2O3/Fe2O3在相同升温速率和保温时间下的反应烧结相变过程,以及降温时反应产物的热力学稳定性,同时利用背散射电子衍射(EBSD)技术定性研究了降温冷却后烧结产物的物相分布。结果表明:Bi2O3必须经历结构相变(斜方–立方)才能与Fe2O3反应生成BiFeO3,当Bi过量时,BiFeO3、Bi2Fe4O9、Bi25FeO39三元产物在降温过程中处于热力学不稳定状态,能有效抑制杂相的生成,促进BiFeO3相生成,且Bi2O3/Fe2O3在配比为1.03:1时相的纯度最高。结合本课题组前期研究结果,发现Bi过量以及快速升降温是提高BiFeO3陶瓷相纯度的有效手段。本研究结果可为制备纯相BiFeO3基陶瓷提供实验依据。

高温原位拉曼光谱研究BiFeO3陶瓷反应烧结相变过程

多铁性材料BiFeO3(BFO)由于具有潜在的磁电耦合效应而备受关注,但纯相陶瓷的制备始终是一个难点,部分原因在于对其反应烧结相变规律的认识尚不充分。高温原位拉曼光谱技术(HT-Raman)是表征复杂的固体相变及反应的有力手段。首次利用HT-Raman,研究了不同配比(1∶1, 1.03∶1和1.05∶1)的Bi2O3-Fe2O3在不同升降温速率(10和100℃·min-1)下的反应烧结相变过程,以及降温时反应产物的收缩效应。结果表明:Bi2O3-Fe2O3反应烧结生成BiFeO3的过程中,会产生中间过渡相Bi2Fe4O9和Bi25FeO39∶Bi2O3-Fe2O3配比为1.03∶1、升降温速率较快时,产物中杂相含量最少,可见Bi过量及较快的升降温速率能有效抑制杂相的生成。降温过程中,发现BFO的A1-1峰位随着温度降低发生蓝移,且二者呈良好的线性关系,这说明降温过程中BFO仅因温度变化产生晶格收缩,并没有结构相变。此外,还利用二维X射线衍射(2D-XRD)及背散射电子衍射(EBSD),表征了烧结产物的相组成及形貌。XRD结果也显示Bi过量时杂相含量较少,与拉曼结果一致。结合2D-XRD和EBSD的结果可知, Bi过量时烧结产物晶粒尺寸较大且均一,可见快速升降温有利于晶粒的成核与生长。研究结果可帮助进一步认清反应烧结规律,并指导纯相BiFeO3基陶瓷的制备。

纯相BiFeO3的热稳定和热膨胀性质研究（英文）

本研究利用原位高温衍射和高温拉曼技术对纯相BiFeO3粉体的热稳性和热膨胀性质进行了系统的解析。在升温阶段BiFeO3始终保持斜方的R3c结构,但是在降温阶段少量BiFeO3会分解成为Bi2Fe4O9和Bi25FeO39,这种分解可能是由氧八面体的倾斜畸变引起的。此外,还研究了BiFeO3热力学膨胀系数,发现它具有各向同性正膨胀性。以上结果也被拉曼光谱所证实。本研究的结果可为制备纯相BiFeO3材料提供实验指导。

粉末衍射中背比的发散狭缝宽度和长度效应

Bragg-Brentano几何粉末衍射中峰位、峰形和峰强的准确测量决定着粉末X射线衍射图谱的质量,同时也是正确表征材料晶体结构的前提和关键。光路中发散狭缝的尺寸会直接影响衍射峰的强度,并且不合理的发散狭缝设置会显著影响小尺寸试样的衍射峰形状。研究了发散狭缝宽度效应和长度效应对小尺寸试样衍射图谱峰背比的影响。结果表明:发散狭缝的宽度和长度限制了照射在试样上的光斑长度和宽度,光斑的宽度和长度如果大于试样的,会引起背底在低角度和高角度的显著升高,即随着发散狭缝宽度和长度的增大,衍射图谱中低角度和高角度的峰背比也会显著降低。因此,对于小尺寸试样,考虑到光斑的水平发散和垂直发散,狭缝宽度和长度的设置以小于试样的实际尺寸为宜。

硝酸对BiFeO_3粉体中杂相的分解反应研究

以传统固相烧结工艺制备了含有杂相(Bi_(25)FeO_(40),Bi_2Fe_4O_9)的BiFeO_3粉体,并利用X射线衍射(XRD)、背散射电子像(BSE)等技术研究了硝酸对杂相的分解作用。发现硝酸不与BiFeO_3以及杂相Bi_2Fe_4O_9产生反应,但由于Bi_(25)FeO_(40)的亚稳性,使得硝酸能够对其进行分解,并生成Bi3+和Fe3+的硝酸盐而溶于水中。此外,本文还讨论了硝酸对杂相Bi_(25)FeO_(40)的分解速率与稀硝酸浓度等的关系,这为制备纯相BiFeO_3提供了有益的实验指导。

扫描微量热法研究稀腐植酸水溶液

用反相柱色谱检测发现,经过不同时间的动物扰动堆肥堆制所获得的腐植酸是由亲水组分和疏水组分组成的,其中疏水组分大体上含有较低的带电基团,这些带电基团很可能是羧酸。在差示扫描量热法测定腐植酸的稀溶液做出的热容-温度图中发现了在约58℃时有一个转折,这表明疏水基团水合作用的增加。我们还发现了在86-90℃的温度区间内有一个热容的突增,这可能是由于＂胶束＂内部的疏水基团的水合作用,因为类似胶束结构的疏水核有＂脱玻作用＂。这表明了随着堆肥时间的增加,腐植酸疏水组分的相对含量和热转变的协同性也增加,它以热容突增的形式表现出来,这很可能是因为＂胶束＂大小的增加。