铌酸盐的合成与热致变色性质研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：侯长民
授予年度：2024年
学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）]
摘 要：智能材料作为智能化的一个重要组成部分,为智慧时代的发展提供了重要的物质基础,然而现有的智能材料在数量、种类和性能方面仍面临巨大的挑战。热致变色材料是智能材料的一种,这类材料因具有独特的温度灵敏性、色彩多样性以及颜色对温度的即刻响应特性,在军事、防伪、建筑、智能服装、热传感器、食品包装、报警系统等领域都有着广泛的应用。此外,热致变色材料在高温、高转速、高压等极端条件下可以进行非接触式温度测量,有十分重要的研究价值。 近年来,无机类热致变色材料的报道多集中于金属氧化物及金属盐。其中钒基材料VO2、V2O5以及钒酸盐等一直是研究的热点。作为与V同主族的Nb元素,其氧化物Nb2O5同样具有可逆热致变色性质,在受热时变黄,冷却后恢复白色。基于此,我们对铌基材料进行了深入的研究,探索其在热致变色方向的潜力。铌酸盐材料的突出性质来自其独特的晶体结构和Nb的配体特征。本文主要研究了两种类型的铌酸盐,分别是ANbO3型和ANbO4型。ANbO3型铌酸盐材料中,我们选取了KNbO3作为基质材料,KNbO3属于ABO3型钙钛矿氧化物,钙钛矿氧化物的A、B位通常具有非常灵活的离子组合方式,可以容纳元素周期表中绝大部分元素。KNbO3化学稳定性高,且具有热致相变特性;ANbO4型铌酸盐材料中,我们选取了AlNbO4作为基质材料。AlNbO4常用作热障涂层的开发,具有良好的热学性能和力学性能。两种材料都具有化学稳定性强、光学带隙较宽、基质为白色可用于后续改色等优点。因此本论文以这两类铌酸盐作为基质。我们通过在Nb位点上的可控掺杂开发出一系列色彩丰富的热致变色材料,对其表现出的可逆热致变色性质进行了一系列的表征及探究,对掺杂行为改变其光学性质的原因、结构与变色性能之间的构效关系以及热致变色过程的机理进行解释。主要研究内容如下: 1、开发了以KNbO3为基质,以Fe、Co、Cr为发色团的可逆热致变色材料,在室温至500℃的温度范围内具有可逆热致变色性质。通过对B位Nb离子部分取代,成功合成了KNb1-xFexO3（x=0.01,0.03,0.05,0.07,0.09）、KNb1-xCoxO3（x=0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）、KNb1-xCrxO3（x=0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）系列铌酸盐样品,并对其进行一系列性质表征。升温过程中KNb1-xFexO3系列样品从黄色逐渐变为棕色,KNb0.97Fe0.03O3具有最佳变色效果,从室温的芥子色（L=79.2,a=-2.8,b=17）加热到500℃时变为浅卡其色（L=74.3,a=-0.5,b=37.5）;KNb1-xCoxO3系列样品从灰色逐渐变为绿色,KNb0.99Co0.01O3具有最佳变色效果,从室温的浅灰色（L=75.9,a=0,b=1.1）加热到500℃时变为豆绿色（L=77.2,a=-5.5,b=21.8）;KNb1-xCrxO3系列样品从浅黄色逐渐变为明黄色,KNb0.95Cr0.05O3具有最佳变色效果,从室温的茉莉黄色（L=82.2,a=-2.5,b=18.5）加热到500℃时变为藤黄色（L=78.6,a=-0.7,b=42.5）。通过分析测试结果,我们发现随着温度的升高,氧原子脱离原本的晶格位点,造成氧缺陷。基质的相变进一步改变了发色团离子的配位环境,吸收行为发生规律变化,带隙逐渐减小,表现为样品的热致变色现象。 2、开发了以AlNbO4为基质,以Mn、Fe、Co、Ni为发色团的可逆热致变色材料,在室温至500℃的温度范围内具有可逆热致变色性质。通过对B位Nb离子部分取代,成功合成了AlNb1-xMnxO4、AlNb1-xFexO4、AlNb1-xCoxO4、AlNb1-xNixO4（x=0.01,0.03,0.05）系列铌酸盐样品,并对其进行一系列性质表征。升温过程中AlNb1-xMnxO4系列样品从紫色逐渐变为棕色,AlNb0.97Mn0.03O4具有最佳变色效果,从室温的酱紫色（L=64.3,a=13.7,b=-4.7）加热到500℃时变为黛色（L=63,a=3.7,b=2.3）;AlNb1-xFexO4系列样品从淡黄色逐渐变为叶黄色,AlNb0.95Fe0.05O4具有最佳变色效果,从室温的麦秆色（L=73.3,a=-3.7,b=13.7）加热到500℃时变为亚麻色（L=72,a=-3,b=22）;AlNb1-xCoxO4系列样品从紫红色逐渐变为褐色,AlNb0.95Co0.05O4具有最佳变色效果,从室温的绯红色（L=45.3,a=16,b=4.3）加热到500℃时变为深褐色（L=42.4,a=4.8,b=5.9）;AlNb1-xNixO4系列样品从亮绿色逐渐变为暗绿色,AlNb0.97Ni0.03O4、AlNb0.95Ni0.0
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