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钛铁矿型化合物的结构与性能的联系
摘要：钛铁矿是分子式为FeTi0，属三方晶系。本文论述了钛铁矿的结构,
及其所有的光、热、电、磁导电性，分析了晶体结构与性能的关系，重点讨
3论了钛铁矿及钛铁矿型氧化物的电子功能材料特性、磁性、热性能和吸收微波辐射的能力。
关键词：钛铁矿、钛铁矿型氧化物、结构与性能。
The chemical composition of Ilmenite is FeTi03，the crystal belongs to trigonal oxide minerals. This article analyzes the structure of the ilmenite and the resulting performance of light, heat, electricity and magnetism，focused on the piezoelectric properties of ilmenite and ilmenite-type oxides, nonlinear optical properties、impactTiO2 on the photocatalytic、magnetic、thermal performance and the ability to absorb microwave radiation。
Key Word: Ilmenite、Ilmenite-structure、Structure and Properties
钛铁矿资源储量大，分布广泛，几乎遍布整个世界，吴国的钛铁矿资源储量十分充足，遍布20余个省份。钛铁矿是制备TiO的主要原料，随着金属Ti的各
2种优良性能被人们发现并且广泛应用，人们越来越重视对钛铁矿的研究，本文主要综述了过去几十年人们对钛铁矿型化合物的研究成果，分析了钛铁矿型的结构与性能的联系，从而从钛铁矿结构组成方面分析了钛铁矿具有优良性能的原因，为钛铁矿型化合物的应用及人们制造类钛铁矿型化合物提供科学的依据。
1、钛铁矿的结构
英文名称来源于最初发现本矿物的产地俄罗斯乌拉尔的伊尔门山。含TiO252.66%，是提取钛和二氧化钛的最主要矿物原料。晶体常呈板状，集合体呈块状或粒状。钢灰至铁黑色，条痕黑色至褐红色，半金属光泽。摩斯硬度5～6，比重4.70～4.78。具弱磁性。钛铁矿一般作为副矿物见于火成岩和变质岩中，也可以形成砂矿。 其是一种以偏钛酸铁(FeTi03)晶格为基础的多组分复杂固溶体，属于三方晶系，a=b=0．509 nm，c=1．409 nm；Z=6。钛铁矿晶体结构主要由3种八面体在空间连接而成，Fe、Ti占据八面体与C垂直的配位层，氧六面体密排结构被轻度扭曲，2／3的氧空位被阳离子占据。即FeO6八面体，TiO6八面体及CO6八面体(C在这里指阳离子空位)，每一TiO6八面体都被两层FeO6所夹。八面体沿C共面相连，在动平面上共边相连，顶点与顶点沿倾斜方向相连，每一对共边连接的TiO6八面体与临近的一对TiO6八面体都被ab平面上阳离子空位所隔开，沿倾斜方向最临近的TiO6八面体之间总夹着
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FeO6八面体（如图1所示）。
之所以钛铁矿有这种独特的结构是因为在ABO3型氧化物中，由于A离子过小，t＜0.77时，因为A与O离子无法构成立方紧密堆积，因此不能形成钙钛矿型结构，进而产生了钛铁矿型的结构，即氧离子能够单独的构成六方最紧密堆积，阳离子间有规律的占据着六方密堆所形成的八面体空隙2/3的位置。
2、钛铁矿及钛铁矿型氧化物的性能。
2.1、电子功能材料特性
钛铁矿结构氧化物中的MgT iO3 、 LiNbO3 、 LiT aO3在电子功能材料领域有极高的应用价值。 其中LiNbO3形成八面体结构发生畸变，其中的锂和铌离子所占据的八面体的畸变程度还不相同, 同时二者也均非位于畸变八面体的中心位置, 而是向上或向下偏移。这样在晶体中就产生了偶极矩, 呈现出自发极化, 自发极化的方向为C3对称轴方向。因此, 在1210±10℃的相变温度以下晶体对称性为R3C, 无对称中心, 具有优良的压电特性和非线性
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光学性质。LiTaO3晶体结构与LiNbO3，相似在665±5℃的相变温度以下, 晶体对称性也是R3c, 无对称中心。它也是目前广泛应用的压电和电光晶体材料。两者作为新一代的压电晶体材料，LiNbO3具有很高的机，LiT aO3具有较高的延迟温度系数（TCD）,二者在很多应用场合均取代了传统石英晶体用于制造单片晶体滤波器。
2.2、磁性
钛铁矿具有弱磁性,其磁性主要应用于钛铁矿矿石的选矿方面。钛铁矿固溶体分解会生成钛磁铁矿的矿物、因而钛铁矿具有一定程度的磁性，钛磁铁矿在钛铁矿内呈片状并沿着（111）晶面分部，在钛铁矿中沿（0001）方向断续排列有时会与尖晶石相间分部。随着钛铁矿内钛磁铁矿的片晶数量的变化钛铁矿的磁性会在较大的范围内变化。不同磁性的钛铁矿成分不同，随着矿物磁性的增强，其矿物内FeO含量将会降低，FeO和MgO含量将会增高，而
23TiO2含量则变化不是特别的明显。Fe2O3和MgO含量随矿物磁性增高表明了钛
铁矿磁性变化的多少主要取决与溶出钛磁铁矿数量的多少，其他固溶体组分对钛铁矿磁性的影响不大。
2.3、烧结性能
通过烧结可以有效的改变钛铁矿的烧结性能，从而为钛铁矿的进一步叫加工利用提供便利。未烧结的钛铁矿，相组成仅为FeTi03，当钛铁矿在氩气气氛中烧结后并没有检测到组成与结构方面的变化。但是当钛铁矿在空气中600℃烧结后，发生了化学反应，产生了新相，其相组成主相为FeTi03，部分FeTi03分解为Fe2O3及TiO2并产生了少量的Fe2Ti3O9;当其在800℃烧结后，其相组成与原钛铁矿相比已经发生了明显的变化其相组成主要为Fe化反应；950℃烧结后主要相组成为Fe1200℃烧结后，样品主要为Fe分解为FeTiO5，含Fe2O3及TiO222TiO5并有一定
量的Fe2O3、TiO2和Fe2Ti3O9，只含少量的FeTi03相，钛铁矿颗粒与氧发生了氧
2而Fe2Ti3O9与FeTi03；
则已经消失，当烧结温度为1100℃烧结后，样品为Fe2TiO5相，含有少量的TiO2TiO5相含有少量的TiO2。因此钛铁矿在600℃空
。
气中烧结后，产生少量的Fe2O3、TiO2和Fe2Ti3O9；当温度为800℃时，Fe2Ti3O92TiO5和TiO2，在更高的温度下则完全转变为Fe2TiO5和TiO2
2.4、钛铁矿具有较强的吸收微波辐射的能力
型分子, 与??Fe203属同一结构类型。在此种结构中, 氧
离子大致成六方密堆积排列, 钛离子和铁离子各占三分之一的八面体配位间隙, 其对称性为C32i-R3 。在钛铁矿中, 由铁占据的C面同由钛占据的C面呈相
3FeTi03属ABX互交替的堆积方式。这种结构的特点使得离子之间发生的相对位移变得非常容易。加之Fe2? 由于含dx电子, 因此具有较大的极化率, Fe?O 键具有明显的离子一共价键特征。这就决定了FeTi03 具有较高的介电常数。天然产生
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的钦铁矿, 或多或少地含有以Fe3? 形式存在的铁, Fe2?和Fe3?共存, 导致两种价态离子间的会发生电子交换,这一过程无疑促进了钛铁矿因偶极弛豫而引起的对微波能量的损耗。加之由于Fe2?和Fe3?价层存在不成对电子, 致使FeTi03 表现出较高的磁化率。而微波场本身是一个交变的电磁场。因此, FeTi03与微波场相互作用既表现为电相互作用, 又表现为磁相互作用。当发生铁磁谐振时, 介质中的磁损耗也将达到最大值。
3、结论：
钛铁矿及钛铁矿型氧化物是以偏钛酸铁(FeTi03)晶格为基础的多组分复杂固溶体，属于三方晶系。钛铁矿独特的结构决定了其具有十分出色的电子功能材料特性，从而为其在电子材料领域中的广泛奠定了基础；其结构中存在的钛磁铁矿相使其具有一定的磁性，从而为钛铁矿选矿提供了一条便利途径；其烧结过程中不同温度下所具有的不同产物为期在后续加工应用中提供了方便；钛铁矿所具有的较强的吸收微波辐射的能力又使其具有了在微波辐射吸收方面光明的前景。
参考文献：
[1] 李建渠，李灵芝等。钛铁矿制备TiO2及其光催化性能的研究，[期刊论文]。广东化工，2006．33(11) 。
[2] 庄伟，罗泽敏，刘迎新，吴婧，秦善，鲁安怀等。 热处理天然金红石的微结构研究，[期刊论文]岩石矿物学杂志， 2009,28(6)。
[3] 王玉明等。钛铁矿碳热还原动力学，[期刊论文]。矿冶工程，2011，31（5）。 [4] 侯育冬，高 峰，崔 斌，田长生等。 ZTM陶瓷六方钛铁矿结构热稳定性研究，[期刊论文]。西北工业大学学报，2002，20（4）。
[5] 周晓东等。昆明地区钦铁矿的结构及微波介电特性,[期刊论文]。云南化工，1992，3。 [6] 向 勇, 谢道华等。ABO3 型氧化物的结构与性能及其应用，[期刊论文]。材料工程，2000，9。 [7] 李晴宇，杜继红，奚正平，李争显，杨升红，杨承本，唐勇等。钛铁矿烧结性能研究，[期刊论文]。稀有金属材料与工程，2010，39（zl）。 [8] 周国伟, 陈代荣，桂英等。钛铁矿型CoTiO3纳米材料的制备及性能表征。[期刊论文]，化学学报，2005，63（20）。 [9] 洪秉信，傅文章，刘飞燕等。钛铁矿固溶体分解结构和磁性研究。[期刊论文]，矿产综合利用，2010(6)。
[10] 张小超 , 樊彩梅, 梁镇海, 韩培德等。钛铁矿型六方相ZnTiO3的电子结构和光学性质。[期刊论文]，物理学学报，2011，27(1)。
[11] 邹正光，陈寒元，麦立强．钛铁矿原位碳热还原合成TiC／Fe复合材料的研究[期刊论文]．硅酸盐学报，2001，29(3)：
[12] 魏志聪，徐翔，方建军，刘殿文，章晓林，刘洋，张文彬等。钛铁矿和钛辉石对羧甲基纤维素的吸附机理研究。[期刊论文]，矿冶，2011，1。
5
[13] 洪秉信，傅文章，刘飞燕等。钛铁矿固溶体分解结构和磁性研究。[期刊论文]，矿产综合利用，2010，6。
[14] 熊雪良，欧阳红勇，杨智，王康海等。预氧化对钛铁矿结构及其产物金红石的影响。[期刊论文]，钛工业进展，2010，6。
[15] 丁银忠，喻佑华等。A位双元取代对钛铁矿型ZnTiO3陶瓷热稳定性影响。[期刊论文]，江苏陶瓷，2007，5。
6
