杜立飛, 杜 嫻

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

電子材料綜合實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

杜立飛, 杜 嫻

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

結(jié)合現(xiàn)有的科研條件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,開設(shè)研究性、探索性和創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)是材料專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要組成部分。以“鈦酸鉍水熱合成工藝研究”的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例,具體闡述了在開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中,引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施手段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解,提高其實(shí)驗(yàn)技能及合作交流的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 綜合實(shí)驗(yàn)； 水熱法

無機(jī)非金屬材料科學(xué)主體上說是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),專業(yè)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)、探索材料本質(zhì)、開發(fā)新材料和解決實(shí)際問題的綜合能力方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。電子材料綜合實(shí)驗(yàn)是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生晶體學(xué)、電子材料、材料分析測(cè)試方法等多門課程的綜合應(yīng)用與綜合設(shè)計(jì)的能力訓(xùn)練,擔(dān)負(fù)著現(xiàn)代電子材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新過程的承上啟下的重要作用[4-6]。綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新能力有較大的促進(jìn)作用[7]。綜合性研究型實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,指定某種材料由學(xué)生根據(jù)所選擇的專題搜集閱讀文獻(xiàn)資料,在了解綜合文獻(xiàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上擬定實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、整理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最后撰寫出準(zhǔn)論文形式的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告[8-9]。 針對(duì)電子材料制備技術(shù)日新月異的發(fā)展,將科研工作的新進(jìn)展、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的最新內(nèi)容及時(shí)補(bǔ)充到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,使實(shí)驗(yàn)具有前沿性和挑戰(zhàn)性,讓學(xué)生緊跟科技發(fā)展的步伐,掌握最新的實(shí)驗(yàn)技能技術(shù)[10]。

選用了水熱法合成鈦酸鉍納米粉體[11-12]作為綜合研究型實(shí)驗(yàn),探討了礦化劑濃度、晶化溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)制備Bi4Ti3O12(BTO)粉體物相和形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

普通驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可獨(dú)立完成,綜合實(shí)驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜,學(xué)生需分組后共同完成。本實(shí)驗(yàn)將學(xué)生分成組,每組3～4人,每組的實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)分析獨(dú)立完成,最后將數(shù)據(jù)匯總。通過這種形式讓學(xué)生親自操作、獨(dú)立思考、相互協(xié)作,深刻體會(huì)科研合作的重要性。

先按Bi4Ti3O12的化學(xué)計(jì)量比,稱取一定質(zhì)量的五水硝酸鉍Bi(NO3)3·5H2O,用冰醋酸作為溶劑。隨后

稱取一定量的Ti(OC4H9)4溶解于無水乙醇中,控制Ti(OC4H9)4與Bi(NO3)3·5H2O的摩爾比為3∶4,將Ti(OC4H9)4乙醇溶液加入上述Bi(NO3)3·5H2O醋酸溶液中,劇烈攪拌,得到澄清的溶液。然后加入無水乙醇形成透明溶膠；將溶膠置于烘箱中烘干,得到干凝膠。干凝膠研磨成粉末作為反應(yīng)的前驅(qū)物,與一定溶度的NaOH溶液均勻混合之后加進(jìn)高壓反應(yīng)釜中,在一定反應(yīng)溫度和時(shí)間內(nèi)使其充分合成后自然冷卻至室溫。將反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水反復(fù)洗滌至中性,80 ℃烘干,最終得BTO目標(biāo)粉體。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化劑溶度的影響

圖1 不同礦化劑濃度下合成的BTO粉體的XRD圖譜

為了研究礦化劑濃度對(duì)合成鈦酸鉍粉體相組成、粒徑及形貌等性質(zhì)的影響,固定其他參數(shù)不變,水熱反應(yīng)在200 ℃,反應(yīng)時(shí)間24 h下探索在1 mol/L、2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L、5 mol/L和6 mol/L的礦化劑(NaOH)濃度的影響。從圖1可以看出,當(dāng)?shù)V化劑濃度在2 mol/L以下時(shí),粉體的結(jié)晶度較差,衍射峰不明顯。當(dāng)?shù)V化劑濃度大于2 mol/L時(shí),其產(chǎn)物的XRD衍射峰為Bi層狀相的Bi4Ti3O12,隨著礦化劑濃度的增加,衍射峰峰強(qiáng)增加,峰型越來越尖銳,產(chǎn)物的結(jié)晶性逐漸增強(qiáng),說明礦化劑NaOH濃度的升高有利于粉體的合成。當(dāng)?shù)V化劑濃度增大到5 mol/L時(shí),峰強(qiáng)達(dá)到最大,繼續(xù)增加到6 mol/L,峰強(qiáng)下降。整體考慮,BTO合成最小礦化劑濃度值為2 mol/L。水熱法合成BTO粉體的最佳礦化劑濃度為5 mol/L。 圖2為不同礦化劑濃度下的BTO粉體的SEM照片。從圖中可以看到,相同條件下,礦化劑濃度的不同導(dǎo)致所得樣品形貌和大小存在顯著不同。當(dāng)?shù)V化劑濃度為1 mol/L時(shí),主要為無定形態(tài)物質(zhì),存在大量類凝膠狀物質(zhì)附著表面。這可能是由于礦化劑濃度過低,反應(yīng)未進(jìn)行徹底所致。隨著礦化劑濃度增大到2 mol/L時(shí),產(chǎn)物呈現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)不完整,在球體表面存在少量碎片狀結(jié)構(gòu)。隨著礦化劑濃度繼續(xù)增加,可以明顯看到晶粒發(fā)育更加完善,晶粒形狀更加完整清晰,表面光滑。當(dāng)?shù)V化劑濃度達(dá)到5 mol/L時(shí),出現(xiàn)了大量球狀納米片花結(jié)構(gòu)。但是礦化劑濃度的增加對(duì)鈦酸鉍納米粉體生長(zhǎng)的促進(jìn)不是無限進(jìn)行的,當(dāng)?shù)V化劑濃度持續(xù)增加到6 mol/L時(shí),可以觀察到納米片花結(jié)構(gòu)破壞,納米片破損,出現(xiàn)交聯(lián)現(xiàn)象。

圖2 不同礦化劑濃度下合成BTO粉體的SEM照片

2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

為研究反應(yīng)過程中時(shí)間對(duì)晶體結(jié)晶的影響,控制其他變量不變的條件下,僅改變反應(yīng)時(shí)間,制備BTO粉體。圖3為不同反應(yīng)時(shí)間下合成的BTO的XRD圖譜,可以看到隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),衍射峰強(qiáng)度增加,當(dāng)時(shí)間增加到24 h時(shí),峰強(qiáng)達(dá)到最高,繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間至36 h,峰強(qiáng)變化不大,持續(xù)增加到48 h,衍射峰強(qiáng)度稍有減弱。表明反應(yīng)時(shí)間在晶體生長(zhǎng)的不同時(shí)期體現(xiàn)不同作用,前期時(shí)間的增加有利于前驅(qū)體溶解形成的原子或分子生長(zhǎng)基元,有助于粉體的結(jié)晶,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng),晶粒重結(jié)晶,抑制晶體生長(zhǎng)。

為了進(jìn)一步研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響,對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間下的粉體進(jìn)行SEM分析,如圖4所示。當(dāng)水熱反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行到8 h時(shí)晶體剛開始晶化,形成不規(guī)則的球形小顆粒,顆粒表面有少量片狀晶體。隨著反應(yīng)時(shí)間增加到16 h時(shí),出現(xiàn)大量片狀產(chǎn)物。隨著反應(yīng)時(shí)間持續(xù)增加晶體生長(zhǎng)完全,產(chǎn)物呈片花球狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)間繼續(xù)增加至48 h,片花球狀明顯碎化、納米片大小不一、厚度增加,且出現(xiàn)相互堆疊現(xiàn)象。

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間下合成BTO 粉體的XRD圖譜

圖4 不同反應(yīng)時(shí)間下合成BTO粉體的SEM照片

2.3 反應(yīng)溫度的影響

在水熱反應(yīng)中,水熱溫度的增加為前驅(qū)體溶解形成生長(zhǎng)基元提供能量,同時(shí)有助于提高體系中分子或原子的擴(kuò)散遷移能力,從而有助于粉體的結(jié)晶。圖5為不同反應(yīng)溫度下制備得到的BTO的XRD譜圖。從圖5可以看出,當(dāng)反應(yīng)溫度為140 ℃時(shí),鈦酸鉍的特征峰出現(xiàn),但是衍射峰強(qiáng)度十分低,結(jié)晶化程度低。隨著反應(yīng)溫度增加,峰強(qiáng)增加,結(jié)晶度增加。當(dāng)反應(yīng)溫度為200 ℃時(shí)峰值達(dá)到最大,峰形最尖銳,說明BTO納米粉體在此溫度下完成了成核生長(zhǎng)的全過程。相比于其他工藝,此方法在很大程度上降低了合成溫度,具有節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)

圖5 不同水熱溫度下合成BTO粉體的XRD圖譜

。

為了進(jìn)一步探究水熱溫度對(duì)BTO粉體的影響,對(duì)不同反應(yīng)溫度得到的粉體進(jìn)行紅外測(cè)試,結(jié)果如圖6所示。在3 000—3 500 cm-1處存在明顯的吸收峰,這是由于H2O的O—H鍵伸縮振動(dòng)引起的；在1 650cm-1是C=O的吸收峰,可能是前驅(qū)物中還存在碳的氧化物；1 380 cm-1處是N—O鍵的振動(dòng)峰,可能為前驅(qū)物反應(yīng)物Bi(NO3)3中殘留的NO3-；1 150 cm-1處是C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰,說明反應(yīng)完的粉體中還殘留有機(jī)物引起的；低波段600 cm-1和815 cm-1對(duì)應(yīng)的是Ti—O鍵和Bi—O鍵的伸縮振動(dòng),說明BTO的結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。隨著水熱溫度的升高,粉末紅外譜圖中CO、N—O、C—H的特征吸收峰減弱,而Bi—O和Ti—O的特征峰突出,說明水熱溫度的升高有利于鈦酸鉍晶體的晶化以及雜質(zhì)的去除。

圖6 不同反應(yīng)溫度合成粉體的紅外光譜圖

3 結(jié)語

水熱法制備BTO的電子材料的綜合實(shí)驗(yàn)方法充分體現(xiàn)了課程采用現(xiàn)代分析測(cè)試手段,以教師施教為輔、學(xué)生獨(dú)立完成為主的教學(xué)模式,從設(shè)計(jì)的初步感性認(rèn)識(shí)到深入研究,使學(xué)生熟練地掌握實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試分析,為創(chuàng)新人才培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜合實(shí)驗(yàn)使用水熱法合成BTO納米材料,探討最優(yōu)合成工藝,完成了鈦酸鉍粉體的形貌可控研究。至今有2屆本科生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了學(xué)生廣泛的歡迎和認(rèn)同,實(shí)驗(yàn)效果良好。把科研工作的新進(jìn)展及時(shí)補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,使教學(xué)內(nèi)容得到補(bǔ)充和更新,具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性,將學(xué)生置于一個(gè)材料研究工作者的地位研究科研課題,使學(xué)生從中得到創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。

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Exploration and practice on comprehensive experiment of electronic materials

Du Lifei, Du Xian

(School of Materials Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

It is an important part of the talent training goal for the Materials specialty to combine the existing research conditions to increase the comprehensive experimental content in the experimental teaching and to set up the research-oriented,explorative and innovative experiments. By taking the design experiment of “Study on hydrothermal synthesis of bismuth titanate” as an example,the experimental teaching mode to guide the students to use comprehensively the theoretical knowledge to design the experimental scheme and implementation methods is described in detail. Through the experimental training,the students’ understanding of the experiment is deepened,and their experimental skills and ability of cooperation and communication are improved.

experimental teaching; comprehensive experiment; hydrothermal method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.053

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51372197)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2014KCT-04)

杜立飛(1984—),男,河北石家莊,博士,講師,主要從事無機(jī)非金屬材料的研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

E-mail：dulifei@xust.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)07-0203-04