Příprava suroviny elektronické piezokeramiky metodou v pevné fázi — prášek titaničitanu barnatého

Titanát barnatý je základní surovinou elektronické piezokeramiky a pilířem průmyslu elektronické keramiky. Titanát barnatý má vysokou dielektrickou konstantu a nízké dielektrické ztráty, stejně jako vynikající feroelektrické, piezoelektrické, odolnost vůči napětí a izolační vlastnosti, takže je široce používán při výrobě piezoelektrických keramických prstencových komponentů, zejména PTC termistorů. Vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC), kondenzátory s mezní vrstvou zrna, termoelektrické prvky, piezoelektrická keramika, sonar, senzory, elektrooptické zobrazovací panely, kompozitní materiály a povlaky na bázi polymerů. 

Titanát barnatý byl nejprve syntetizován metodou na pevné fázi. Již v době, kdy byla ve 40. letech 20. století objevena feroelektřina titaničitanu barnatého, země jako Německo, Japonsko a Spojené státy přijaly metodu v pevné fázi k syntéze prášku titaničitanu barnatého. Proto lze říci, že metoda na pevné fázi je nejranější metodou v syntéze prášku titaničitanu barnatého. Po téměř 80 letech byla metoda na pevné fázi rozsáhle a hluboce prozkoumána a aplikována a metody syntézy jsou také rozmanité, které lze rozdělit na tradiční metodu pevné fáze, vysokoenergetickou metodu kulového mletí a metodu spalování. 

 (1) Tradiční metoda na pevné fázi Tradiční metoda na pevné fázi používá jako suroviny uhličitan barnatý a oxid titaničitý a provádí dlouhodobou vysokoteplotní (asi 1000 ° C) kalcinační reakci za vzniku titaničitanu barnatého a nakonec získává hotový produkt procesem drcení a mletí. Reakční rovnice je následující:BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Tradiční proces na pevné fázi je jednoduchý a vyzrálý, zařízení je spolehlivé, zpracování surovin je levné a po dlouhou dobu je to hlavní syntetická metoda průmyslového titaničitanu barnatého. Doposud se velká část syntézy prášků titaničitanu barnatého nad 200 nm provádí metodou na pevné fázi. 

(2) Metoda vysokoenergetického kulového mletí Vysokoenergetické kulové mletí je také metoda běžně používaná v syntéze v pevné fázi v posledních letech. Tato metoda plně využívá mechanického účinku mechanické energie v procesu vysokoenergetického kulového mletí, které způsobuje, že surovina prochází řadou fyzikálních a chemických změn při rychlé rafinaci, což způsobuje různé defekty v krystalové struktuře suroviny a výrazně zlepšuje chemickou aktivitu suroviny. Což při reakcích otočného keramického prstence vede k normálním teplotám mezi pevnými nebo nízkofázovými složkami. Metoda vysokoenergetického kulového mletí začala v 70. letech 20. století s použitím 1-5 μm BaO a 2-4 μm TiO2 jako reakčních surovin a použitím kuliček zirkonu jako média pro kulové mletí po dobu 4 hodin k získání prášku titaničitanu barnatého o velikosti zrna 20-50 nm. TEM fotografie prášku titaničitanu barnatého získaného kulovým mletím BaO a TiO2 po dobu 4 hodin

(3) Metoda samo se šířící vysokoteplotní syntézy Metoda samo se šířící vysokoteplotní syntézy (zkráceně SHS) je metoda pro syntézu prášku pomocí samozahřívání a samovolného vedení chemického reakčního tepla mezi reaktanty. Jakmile je reakční složka zapálena, bude se spalování automaticky šířit do nezreagované oblasti, dokud není reakce dokončena. Celý proces nepotřebuje poskytovat jinou energii než energii počátečního zapálení, takže spotřeba energie je nízká. Reakce může využívat peroxid barnatý BaO2 a reakci kovového Ti nebo TiO2, rovnice je uvedena níže:BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3Výhodami SHS je nízká spotřeba energie, jednoduchý proces a vysoká efektivita výroby, ale největším problémem je kontrola a těžká reakce při reakci. velmi vysokou teplotou. Výsledné práškové částice mají průměr v řádu mikrometrů, a protože použité suroviny nemohou být smíchány na atomární úrovni, čistota reakčního produktu není vysoká. (4) Metoda syntézy nízkoteplotním spalováním Metoda syntézy nízkoteplotním spalováním (zkráceně LCS) je relativně navržena s metodou samo se šířící vysokoteplotní syntézy (SHS), což je metoda syntézy kombinující SHS s mokrou chemickou metodou. LCS vyžaduje, aby suroviny byly nitrované nebo rozpustné soli. Spalovací reakce se provádí na horké desce nebo v muflové peci. Reakční teplota se může provádět při 500 °C nebo nižší. Prášek BaTiO3 byl syntetizován nízkoteplotním spalováním různých barnatých solí a organických paliv. Obrázek TEM je na obrázku.

TEM fotografie prášku titaničitanu barnatého připraveného nízkoteplotní spalovací syntézou 

Stručně řečeno, metoda na pevné fázi má výhody jednoduchého procesu a spolehlivého vybavení. Metoda na pevné fázi však často vyžaduje vyšší reakční teplotu nebo teplotu tepelného zpracování, takže je obtížnější získat ultrajemné nanokrystaly. Navíc chemické složení prášku syntetizovaného metodou na pevné fázi není jednotné, což ovlivňuje výkon slinutého piezoelektrického prstencového měniče; je obtížné získat čistou krystalickou fázi BaTi03 a čistota prášku je nízká. Vzhledem k nízké kvalitě prášku BaTiO3 připraveného metodou na pevné fázi se obecně používá pouze k výrobě produktů s nižšími technickými požadavky. I když výzkum na pevné

fázová metoda již prolomila limity tradiční metody, ale kvůli některým problémům spojeným s reakcí v pevné fázi není snadné kontrolovat podmínky a studie je složitější. Systém nedosáhl dostatečných a dobrých výsledků.