超临界水热法制备超胞结构稳定的β-Li2TiO3

摘要

β-Li2TiO3因其具有可观的锂原子密度、活性低及化学稳定性高等特点，能够与结构材料具有良好的兼容性。与此同时，在低温下有着优良的氚释放特性，被视为最有前途的固态氚增殖剂候选材料之一。β-Li2TiO3具有有序的岩盐结构，并且实验表明其晶体存在超胞结构，纯Li层与LiTi2层交替排列。在β-Li2TiO3的晶体中，首先，超胞（002）晶面的纯Li层作为氚释放通道，其良好的发育能够保证超胞结构的完整性。其次，高Li原子密度是氚的增殖比（TBR）大于1的必要条件，使得最终制得的β-Li2TiO3小球的烧结密度高。因此，通过优化合成工艺制备出尺寸小、粒径分布均匀及密度适用于氚增殖的β-Li2TiO3小球有助于产氚性能的增加。通过严格控制合成工艺，能有效调控β-Li2TiO3超胞结构的稳定性。本文选用超临界水热法制备β-Li2TiO3粉体，其溶剂扩散系数高、密度降低，可显著降低离子或离子团簇扩散及在结构中稳定的活化势垒，使得（002）超胞结构发育好。通过正交试验优化了β-Li2TiO3的亚临界及超临界水热合成工艺参数，获得了超胞结构稳定的β-Li2TiO3。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和Raman光谱仪等分析测试手段对粉体进行了结构表征，研究了各工艺因素对β-Li2TiO3超胞发育的影响规律，进一步深入研究了β-Li2TiO3物相形成机理及超胞形成动力学。
　　本研究主要内容包括：⑴采用正交试验设计，优化亚、超临界水热法合成β-Li2TiO3粉体的工艺。分别对β-Li2TiO3的超胞发育指标 I(002)/I(133)值和其平均晶粒尺寸进行析因分析，得出各工艺因素的影响大小的次序为：反应时间＞反应温度＞Li+摩尔浓度＞填充比。⑵超临界水热条件下，反应温度和时间对β-Li2TiO3粉体性能影响显著。当时间为10 h时可获得超胞发育良好的β-Li2TiO3粉体。水热温度的升高有助于β-Li2TiO3粉体 I(002)/I(133)值的增加，其超胞结构逐渐发育，颗粒均匀性增加。但当反应温度较高时（375~400℃），β-Li2TiO3的平均晶粒尺寸较大。最终，获得超胞发育良好且晶粒尺寸细小的-Li2TiO3粉体的超临界水热合成工艺为：反应温度375℃，时间10 h，初始Li+摩尔浓度0.2 mol/L，填充比50％。⑶普通水热法所得的β-Li2TiO3水热前驱体含有很多缺陷，包括 Li空位及Ti原子替代Li原子的取代缺陷。而在超临界水热条件下，β-Li2TiO3纯 Li层中的取代缺陷 Ti原子将离开纯 Li层，进入 LiTi2层，使得超胞结构发育完整。⑷通过Raman光谱研究了反应温度、时间对β-Li2TiO3粉体中各振动峰强度影响。结果发现，在反应时间为10 h时，反应温度为375℃所得β-Li2TiO3粉体的超胞发育程度比反应温度为400℃条件下的好，超胞发育速率快。而在升温过程中，β-Li2TiO3粉体超胞发育随反应温度的升高呈递增的趋势。⑸通过超临界水热法合成β-Li2TiO3粉体，进而采用间接湿法制备出I(002)/I(133)值为2.25、球形度为1.01、直径为1.81mm且密度为80%T.D.的β-Li2TiO3小球。这些性能适用于氚增殖用。

目录

1 文献综述

1.1 固态氚增殖剂的研究进展

1.2 固态氚增殖剂材料 β-Li2TiO3的研究进展

1.3 研究内容及创新点

2 材料与方法

2.1 超临界水热法合成 β-Li2TiO3粉体

2.2 β-Li2TiO3小球的制备

2.3 测试与表征

3 优化β-Li2TiO3材料的亚、超临界水热合成工艺

3.1 亚、超临界水热法合成影响超胞发育和晶粒尺寸因素分析

3.2 Raman光谱分析

3.3 本章小结

4 亚临界水热条件下β-Li2TiO3粉体的合成及性能

4.1 物相分析

4.2 微观形貌观察

4.3 Raman光谱分析

4.4 本章小结

5 超临界水热条件下β-Li2TiO3粉体的合成工艺及性能研究

5.1 物相分析

5.2 微观形貌观察

5.3 Raman光谱分析

5.4 超胞发育动力学

5.5 超临界水热条件下β-Li2TiO3粉体的缺陷分析

5.6本章小结

6升温对β-Li2TiO3粉体性能的影响

6.1 物相分析

6.2 微观形貌观察

6.3 Raman光谱分析

6.4 升温过程中β-Li2TiO3超胞发育与温度的关系

6.5 本章小结

7 β-Li2TiO3小球的制备工艺及性能研究

7.1 β-Li2TiO3小球相对密度

7.2 物相分析

7.3 微观形貌观察

7.4 本章小结

8 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

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