超声化学活化法快速合成四方相钛酸钡：一种高效制备高纯度铁电材料的新策略

（编辑推荐）本研究创新性地将短时超声化学活化（15分钟）与传统煅烧相结合，成功开发出高纯度四方相BaTiO3的快速合成路径。相比传统工艺，该方法在常压条件下即可实现99.4%的相纯度，显著缩短反应时间并避免惰性气氛等复杂要求，为铁电陶瓷（ferroelectric ceramics）的工业化生产提供了新思路。

　　

1 引言

钛酸钡(BaTiO₃)作为经典铁电材料，因其优异的介电、压电和热释电性能，在多层陶瓷电容器(MLCC)、微机电系统(MEMS)和能量存储器件中具有不可替代的作用。然而传统合成方法如溶胶-凝胶法、水热法等普遍存在反应时间长（12-48小时）、工艺复杂且易产生立方相等问题。本研究突破性地采用超声化学活化技术，通过空化效应产生局部高温高压环境，大幅提升反应动力学，为高质量BaTiO₃的规模化制备提供了创新解决方案。

2 实验方法

研究设计了两组前驱体体系：S1组采用乙酸钡(C₄H₆BaO₄)与纳米二氧化钛(TiO₂)的水相体系，S2组选用碳酸钡(BaCO₃)与钛酸异丙酯(C₁₂H₂₈O₄Ti)的醇水混合体系。通过750W超声波处理15分钟后，两组样品均在1100°C下煅烧4-6小时。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱和场发射扫描电镜(FEG-SEM)等表征手段系统分析样品性能。

3 结果与讨论

XRD精修结果显示，S2组样品展现出99.4%的四方相纯度（空间群P4/mmm），显著高于S1组的90.8%。这种差异源于前驱体化学反应路径的不同：S1组通过溶解-沉淀机制形成BaTiO₃，而S2组经历钛酸异丙酯水解-缩合的固态扩散过程。拉曼光谱在488 cm^-1处观察到Ti-O键特征振动峰，红外光谱1431 cm^-1处的碳酸根振动进一步证实了四方相的形成。

电镜分析揭示S2组样品具有更规则的伪立方体形貌，平均晶粒尺寸达51.89 nm，比S1组大17%。这种形貌优势归因于：1）更可控的成核生长动力学；2）BaTi₂O₅杂质相含量仅0.6%（S1组达9.2%）；3）煅烧过程中更均匀的晶粒粗化。

4 结论

本研究证实超声化学活化法能高效制备高纯度四方相BaTiO₃，特别是采用碳酸钡-钛酸异丙酯体系时，可在常规条件下获得99.4%的相纯度。该方法相比传统工艺具有三大优势：1）将合成时间从数十小时缩短至15分钟；2）避免惰性气氛等严苛条件；3）产物具有更优异的结晶性和形貌均一性。这些突破为铁电陶瓷在先进电子器件、能量收集系统和生物医学设备中的应用奠定了材料基础。