Fremstilling af elektronisk piezo keramik råmateriale ved fastfase metode——bariumtitanatpulver

Bariumtitanat er det grundlæggende råmateriale i elektronisk piezokeramik og søjlen i den elektroniske keramikindustri. Bariumtitanat har høj dielektrisk konstant og lavt dielektrisk tabskarakteristika samt fremragende ferroelektriske, piezoelektriske, modstå spændings- og isoleringsegenskaber, så det er meget udbredt til fremstilling af piezoelektriske keramiske ringkomponenter, især PTC-termistorer. Flerlags keramiske kondensatorer (MLCC'er), korngrænselagskondensatorer, termoelektriske elementer, piezoelektrisk keramik, sonar, sensorer, elektro-optiske displaypaneler, polymerbaserede kompositmaterialer og belægninger. 

Bariumtitanat blev først syntetiseret ved fastfasemetoden. Så tidligt som ferroelektriciteten af ​​bariumtitanat blev opdaget i 1940'erne, har lande som Tyskland, Japan og USA vedtaget fastfasemetoden til at syntetisere bariumtitanatpulver. Derfor kan det siges, at fastfasemetoden er den tidligste metode til syntese af bariumtitanatpulver. Efter næsten 80 år er solidfasemetoden blevet grundigt og dybt undersøgt og anvendt, og syntesemetoderne er også mangfoldige, som kan opdeles i den traditionelle fastfasemetode, højenergikuglefræsningsmetode og forbrændingsmetode. 

 (1) Traditionel fastfasemetode Den traditionelle fastfasemetode bruger bariumcarbonat og titaniumdioxid som råmaterialer og udfører en langvarig højtemperatur (ca. 1000 ° C) kalcineringsreaktion for at generere bariumtitanat og opnår endelig det færdige produkt gennem en knusnings- og formalingsproces. Reaktionsligningen er som følger: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Den traditionelle fastfaseproces er enkel og moden, udstyret er pålideligt, råmaterialebehandlingen er billig, og det har været den vigtigste syntetiske metode til industriel bariumtitanat i lang tid. Indtil nu er en stor del af syntesen af ​​bariumtitanatpulvere over 200nm udført ved fastfasemetoden. 

(2) Højenergikuglefræsningsmetode Højenergikuglefræsning er også en metode, der er almindeligt anvendt i fastfasesyntese i de senere år. Denne metode gør fuld brug af den mekaniske effekt af den mekaniske energi i processen med højenergi kuglefræsning, hvilket får råmaterialet til at gennemgå en række fysiske og kemiske ændringer, mens det hurtigt raffineres, hvilket forårsager forskellige defekter i råmaterialets krystalstruktur og væsentligt forbedrer den kemiske aktivitet af råmaterialet. fastfasereaktioner mellem komponenterne. Højenergi-kugleformalingsmetoden begyndte i 1970'erne ved at bruge 1-5μm BaO og 2-4μm TiO2 som reaktionsråmaterialer og ved at bruge zirconiakugler som kugleformalingsmedie i 4 timer for at opnå bariumtitanatpulver med en kornstørrelse på 20-50nm. TEM-fotografi af bariumtitanatpulver opnået ved kugleformaling af BaO og TiO2 i 4 timer

(3) Selvformerende højtemperatursyntesemetodeDen selvformerende højtemperatursyntesemetode (SHS for short) er en metode til at syntetisere pulver ved at bruge selvopvarmning og selvledning af kemisk reaktionsvarme mellem reaktanter. Når reaktanten er antændt, vil forbrændingen automatisk forplante sig til det ureagerede område, indtil reaktionen er afsluttet. Hele processen behøver ikke at give anden energi end energien fra den indledende tænding, så energiforbruget er lavt. Reaktionen kan bruge bariumperoxid BaO2 og metal Ti- eller TiO2-reaktion, ligningen er vist nedenfor: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Fordelene ved SHS er lavt energiforbrug, enkel proces og høj produktionseffektivitet, men det er først og fremmest det største problem at kontrollere reaktionen, men det er det største problem at kontrollere reaktionen. og reaktionen udføres ved en meget høj temperatur. De resulterende pulverpartikler med diameter er i størrelsesordenen mikrometer, og fordi de anvendte råmaterialer ikke kan blandes på atomniveau, er renheden af ​​reaktionsproduktet ikke høj. (4) Lavtemperaturforbrændingssyntesemetode Lavtemperaturforbrændingssyntesemetoden (forkortet LCS) er relativt foreslået med den selvformerende højtemperatursyntesemetode (SHS), som er en syntesemetode, der kombinerer SHS med den vådkemiske metode. LCS kræver, at råmaterialer er nitrerede eller opløselige salte. Forbrændingsreaktionen udføres på en varmeplade eller i en muffelovn. Reaktionstemperaturen kan udføres ved 500°C eller lavere. BaTiO3-pulver blev syntetiseret ved lavtemperaturforbrænding af forskellige bariumsalte og organiske brændstoffer. TEM-billedet er vist på figuren.

TEM-fotografi af bariumtitanatpulver fremstillet ved lavtemperaturforbrændingssyntese 

Sammenfattende har fastfasemetoden fordelene ved simpel proces og pålideligt udstyr. Fastfasemetoden kræver dog ofte en højere reaktionstemperatur eller varmebehandlingstemperatur, så det er sværere at opnå ultrafine nanokrystaller. Derudover er den kemiske sammensætning af pulveret syntetiseret ved fastfasemetoden ikke ensartet, hvilket påvirker ydeevnen af ​​den sintrede piezoelektriske ringtransducer; det er vanskeligt at opnå ren BaTiO3-krystalfase, og pulverets renhed er lav. På grund af den lave kvalitet af BaTiO3-pulver fremstillet ved fastfasemetoden, bruges det generelt kun til at fremstille produkter med lavere tekniske ydeevnekrav. Selvom forskningen på det faste

fasemetoden er allerede brudt igennem grænserne for den traditionelle metode, men på grund af nogle problemer, der ligger i fastfasereaktionen, er forholdene ikke lette at kontrollere, og undersøgelsen er mere kompliceret. Systemet har ikke opnået nok og gode resultater.