تحضير المواد الخام للسيراميك البيزو الإلكتروني بطريقة الطور الصلب —— مسحوق تيتانات الباريوم

تيتانات الباريوم هي المادة الخام الأساسية للسيراميك الإلكتروني وركيزة صناعة السيراميك الإلكترونية. يتميز تيتانات الباريوم بثبات عازل كهربائي عالي وخصائص فقدان عازل منخفضة بالإضافة إلى خصائص ممتازة كهروضوئية وكهرضغطية وفولطية وعزل، لذلك فهو يستخدم على نطاق واسع في تصنيع مكونات الحلقة الخزفية الكهرضغطية، وخاصة الثرمستورات PTC. المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs)، ومكثفات الطبقة الحدودية للحبيبات، والعناصر الكهروحرارية، والسيراميك الكهرضغطي، والسونار، وأجهزة الاستشعار، ولوحات العرض الكهروضوئية، والمواد المركبة والطلاءات القائمة على البوليمر. 

تم تصنيع تيتانات الباريوم لأول مرة بطريقة الطور الصلب. في وقت مبكر من اكتشاف الطاقة الكهروضوئية لتيتانات الباريوم في الأربعينيات من القرن العشرين، اعتمدت دول مثل ألمانيا واليابان والولايات المتحدة طريقة الطور الصلب لتجميع مسحوق تيتانات الباريوم. لذلك، يمكن القول أن طريقة الطور الصلب هي الطريقة الأقدم في تصنيع مسحوق تيتانات الباريوم. بعد ما يقرب من 80 عامًا، تم بحث وتطبيق طريقة الطور الصلب على نطاق واسع وعميق، كما أن طرق التوليف متنوعة أيضًا، والتي يمكن تقسيمها إلى طريقة الطور الصلب التقليدية وطريقة الطحن بالكرات عالية الطاقة وطريقة الاحتراق. 

 (1) طريقة الطور الصلب التقليدية تستخدم طريقة الطور الصلب التقليدية كربونات الباريوم وثاني أكسيد التيتانيوم كمواد خام، وتنفذ تفاعل تكليس طويل المدى بدرجة حرارة عالية (حوالي 1000 درجة مئوية) لتوليد تيتانات الباريوم، وأخيراً تحصل على المنتج النهائي من خلال عملية التكسير والطحن. معادلة التفاعل هي كما يلي:BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 عملية الطور الصلب التقليدية بسيطة وناضجة، والمعدات موثوقة، ومعالجة المواد الخام رخيصة، وكانت الطريقة الاصطناعية الرئيسية لتيتانات الباريوم الصناعية لفترة طويلة. حتى الآن، يتم تنفيذ جزء كبير من تصنيع مساحيق تيتانات الباريوم فوق 200 نانومتر بطريقة الطور الصلب. 

(2) طريقة الطحن بالكرات ذات الطاقة العالية تعتبر الطحن بالكرات ذات الطاقة العالية أيضًا طريقة شائعة الاستخدام في تركيب الطور الصلب في السنوات الأخيرة. تستفيد هذه الطريقة بشكل كامل من التأثير الميكانيكي للطاقة الميكانيكية في عملية الطحن الكروي عالي الطاقة، والذي يتسبب في خضوع المواد الخام لسلسلة من التغيرات الفيزيائية والكيميائية أثناء التكرير السريع، مما يسبب عيوبًا مختلفة في التركيب البلوري للمادة الخام ويحسن بشكل كبير النشاط الكيميائي للمادة الخام. والتي في مكونات الحلقة الخزفية الدوارة تؤدي إلى تفاعلات الطور الصلب ذات درجة الحرارة العادية أو درجة الحرارة المنخفضة بين المكونات. بدأت طريقة الطحن بالكرات عالية الطاقة في سبعينيات القرن العشرين، باستخدام 1-5 ميكرومتر BaO و2-4 ميكرومتر TiO2 كمواد خام للتفاعل، واستخدام كرات الزركونيا كوسائط لطحن الكرات لمدة 4 ساعات للحصول على مسحوق تيتانات الباريوم بحجم حبة يتراوح من 20 إلى 50 نانومتر. صورة TEM لمسحوق تيتانات الباريوم تم الحصول عليها عن طريق الطحن الكروي BaO وTiO2 لمدة 4 ساعات

(3) طريقة التوليف ذات درجة الحرارة العالية ذاتية الانتشار طريقة التوليف ذات درجة الحرارة المرتفعة ذاتية الانتشار (SHS للاختصار) هي طريقة لتصنيع المسحوق باستخدام التسخين الذاتي والتوصيل الذاتي لحرارة التفاعل الكيميائي بين المواد المتفاعلة. بمجرد إشعال المادة المتفاعلة، سوف ينتشر الاحتراق تلقائيًا إلى المنطقة غير المتفاعلة حتى يكتمل التفاعل. العملية برمتها لا تحتاج إلى توفير طاقة أخرى غير طاقة الإشعال الأولي، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة منخفض. يمكن أن يستخدم التفاعل بيروكسيد الباريوم BaO2 ومعدن Ti أو TiO2، وتظهر المعادلة أدناه: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 مزايا SHS هي انخفاض استهلاك الطاقة، وعملية بسيطة، وكفاءة إنتاج عالية، ولكن المشكلة الأكبر هي أنه من الصعب التحكم في التفاعل بمجرد إشعال المواد المتفاعلة، ويتم تنفيذ التفاعل. في درجة حرارة عالية جدا. تكون جزيئات المسحوق الناتجة ذات قطر في حدود ميكرومتر، ولأن المواد الخام المستخدمة لا يمكن خلطها على المستوى الذري، فإن نقاء منتج التفاعل ليس مرتفعًا. (4) طريقة تركيب الاحتراق في درجة حرارة منخفضة يتم اقتراح طريقة تركيب الاحتراق في درجة حرارة منخفضة (المختصرة باسم LCS) نسبيًا مع طريقة التوليف ذات درجة الحرارة العالية ذاتية الانتشار (SHS)، وهي طريقة تركيبية تجمع بين SHS والطريقة الكيميائية الرطبة. يتطلب LCS أن تكون المواد الخام منترنة أو أملاح قابلة للذوبان. يتم تنفيذ تفاعل الاحتراق على طبق ساخن أو في فرن دثر. يمكن إجراء درجة حرارة التفاعل عند 500 درجة مئوية أو أقل. تم تصنيع مسحوق BaTiO3 عن طريق احتراق أملاح الباريوم المختلفة والوقود العضوي في درجة حرارة منخفضة. تظهر صورة TEM في الشكل.

صورة TEM لمسحوق تيتانات الباريوم المحضرة عن طريق تخليق الاحتراق في درجة حرارة منخفضة 

باختصار، تتميز طريقة الطور الصلب بمزايا العملية البسيطة والمعدات الموثوقة. ومع ذلك، فإن طريقة الطور الصلب غالبًا ما تتطلب درجة حرارة تفاعل أعلى أو درجة حرارة معالجة حرارية، لذلك يكون الحصول على بلورات نانوية متناهية الصغر أكثر صعوبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التركيب الكيميائي للمسحوق الذي تم تصنيعه بواسطة طريقة الطور الصلب ليس موحدًا، مما يؤثر على أداء محول الطاقة الكهرضغطية الملبد؛ من الصعب الحصول على الطور البلوري BaTiO3 النقي، ونقاء المسحوق منخفض. نظرا لانخفاض جودة مسحوق BaTiO3 المحضر بطريقة الطور الصلب، فإنه يستخدم بشكل عام فقط لصنع منتجات ذات متطلبات أداء فنية أقل. على الرغم من أن الأبحاث على الصلبة

لقد اخترقت طريقة الطور بالفعل حدود الطريقة التقليدية، ولكن بسبب بعض المشاكل الكامنة في تفاعل الطور الصلب، ليس من السهل التحكم في الظروف، وأصبحت الدراسة أكثر تعقيدًا. ولم يحقق النظام نتائج كافية وجيدة.