高温原位XRD法研究钙、铁、硅杂质对二氧化钛相结构演变规律的影响及相变机理

Aiming at problem of different titanium dioxide phase between metallurgy production with calcium iron silicon and pure titanium dioxide calcining，applicant Study the mechanism of the high temperature phase change of titanium dioxide with calcium iron silicon by in-situ XRD at high temperature. It were researched by In-situ XRD at high temperature that real-time phase product different impurities，concentration of impurities, temperature and pressure.The research reveals the reaction mechanism and direct relationship of the titanium dioxide content, impurities and chlorination activity of titanium dioxide Crystal form and phase of the formation in titanium metallurgy processing.The reaction mechanism and direct relationship make sure phase of titanium in calcimining product and chlorination.And also provide scientific guidance for industry process parameter improving concentration of titanium dioxide and percentage of chlorination.

本研究针对钛冶金领域中火法生产高钛渣、湿法生产人造金红石工艺中发现在钙、铁、硅杂质存在时二氧化钛进行煅烧反应与纯二氧化钛的煅烧反应相变不一致，引起煅烧后所得产物中的杂质难以脱除，进而影响海绵钛产品质量的问题，申请者提出采用高温原位XRD法对钙、铁、硅杂质存在时高温条件下二氧化钛相结构演变规律及相变机理进行分析研究。. 通过研究在煅烧条件下，不同杂质成分、不同杂质含量及不同温度条件下二氧化钛的实时物相，揭示二氧化钛的相变反应机理，找到在高温条件下杂质与二氧化钛的反应机理及影响二氧化钛相变的规律。在该反应机理及规律的指导下提高高钛渣及人造金红石中二氧化钛的含量，完善高钛渣煅烧的理论。

二氧化钛作为一种无毒无害的半导体材料，广泛利用于光催化、清洁能源等行业，由于它的优异的白度和光亮度也广泛用于涂料等行业。为了更大的利用二氧化钛的优异，人们热衷于对二氧化钛改性，提高它的性能。二氧化钛的晶体结构主要有锐钛矿、金红石和板钛矿三种结构，一般有实际应用时锐钛矿和金红石两种，不同的晶体结构有不同的应用，所以研究二氧化钛的晶体结构的变化规律可以更好的促进实际应用。用高温原位X射线衍射技术更好的研究它的相变规律和机制。并且结合热分析、X射线光电子能谱测试技术和Rietveld全谱拟合、Williamson-Hall方法和相变动力学的分析方法研究掺杂TiO2的相变规律，得出以下主要结果：.（1）Si、Fe、Ca加入TiO2会使其A→R开始转变的温度提高，但添加到一定量之后相变的温度趋于一致，同时Si、Fe、Ca的加入也缩短了相变的温度区间。.（2）A、R两相的晶粒尺寸随温度和时间的增加而长大，但在同一温度下Si、Fe、Ca越多，同一个相的晶粒尺寸越小，所以Si、Fe、Ca抑制TiO2晶粒尺寸的长大。.（3）掺Si的TiO2在高温时会生成金红石型二氧化钛相，最终形成SiO2和金红石型二氧化钛；掺Fe的TiO2在高温时会生成铁板钛矿相（Fe2TiO5），最终形成铁板钛矿相及金红石型二氧化钛，Fe的含量越多能在越低的温度生成Fe2TiO5；而掺Ca 的TiO2在高温时会生成钙板钛矿相（Ca2TiO5）、不同晶型的TiO2中间体以及金红石型二氧化钛，最终形成钙板钛矿相及金红石型二氧化钛，Ca的含量越多能在越低的温度生成越多不同晶型的TiO2中间体；.（4）随着Si、Fe、Ca原子半径的增加，使得二氧化钛在相变过程中的Ti、O原子进行空间移位所需能量增加，在相同添加的情况下，原子半径越大，其引起的相变点的温度越高。其生成的TiO2中间体的晶型种类越多，尤其是超过Ti原子半径的元素。