تهیه مواد اولیه الکترونیکی پیزو سرامیک به روش فاز جامد- پودر تیتانات باریم

تیتانات باریم ماده اولیه اولیه الکترونیک پیزوسرامیک و ستون صنعت سرامیک الکترونیکی است. تیتانات باریم دارای ویژگی های ثابت دی الکتریک بالا و تلفات دی الکتریک کم و همچنین خواص فروالکتریک، پیزوالکتریک عالی، مقاومت در برابر ولتاژ و عایق است، بنابراین به طور گسترده در ساخت اجزای حلقه سرامیکی پیزوالکتریک، به ویژه ترمیستورهای PTC استفاده می شود. خازن های سرامیکی چندلایه (MLCC)، خازن های لایه مرزی دانه، عناصر ترموالکتریک، سرامیک های پیزوالکتریک، سونار، سنسورها، صفحات نمایش الکترواپتیک، مواد و پوشش های کامپوزیتی مبتنی بر پلیمر. 

باریم تیتانات ابتدا به روش فاز جامد سنتز شد. همانطور که فروالکتریکی باریم تیتانات در دهه 1940 کشف شد، کشورهایی مانند آلمان، ژاپن و ایالات متحده از روش فاز جامد برای سنتز پودر تیتانات باریم استفاده کردند. بنابراین می توان گفت که روش فاز جامد، قدیمی ترین روش در سنتز پودر تیتانات باریم است. پس از گذشت نزدیک به 80 سال، روش فاز جامد به طور گسترده و عمیق مورد تحقیق و استفاده قرار گرفته است و روش های سنتز نیز متنوع است که می توان آنها را به روش سنتی فاز جامد، روش آسیاب گلوله ای با انرژی بالا و روش احتراق تقسیم کرد. 

 (1) روش فاز جامد سنتی روش سنتی فاز جامد از کربنات باریم و دی اکسید تیتانیوم به عنوان مواد خام استفاده می کند و یک واکنش کلسیناسیون طولانی مدت (حدود 1000 درجه سانتیگراد) را برای تولید تیتانات باریم انجام می دهد و در نهایت محصول نهایی را از طریق فرآیند خرد کردن و آسیاب به دست می آورد. معادله واکنش به شرح زیر است: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 فرآیند فاز جامد سنتی ساده و بالغ است، تجهیزات قابل اعتماد است، پردازش مواد خام ارزان است و برای مدت طولانی روش مصنوعی اصلی تیتانات باریم صنعتی بوده است. تاکنون، بخش بزرگی از سنتز پودرهای تیتانات باریم بالای 200 نانومتر به روش فاز جامد انجام می‌شود. 

(2) روش آسیاب گلوله ای با انرژی بالا آسیاب گلوله ای با انرژی بالا نیز روشی است که در سال های اخیر معمولاً در سنتز فاز جامد استفاده می شود. این روش از اثر مکانیکی انرژی مکانیکی در فرآیند آسیاب گلوله ای پرانرژی استفاده کامل می کند، که باعث می شود ماده خام در حین پالایش سریع، یک سری تغییرات فیزیکی و شیمیایی را متحمل شود که باعث ایجاد نقص های مختلف در ساختار بلوری ماده خام می شود و فعالیت شیمیایی ماده خام را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. واکنش های فاز جامد بین اجزاء روش آسیاب گلوله ای با انرژی بالا در دهه 1970 با استفاده از 1-5μm BaO و 2-4μm TiO2 به عنوان مواد خام واکنش و استفاده از توپ های زیرکونیا به عنوان رسانه آسیاب گلوله ای به مدت 4 ساعت برای به دست آوردن پودر تیتانات باریم با اندازه دانه 20-50 نانومتر آغاز شد. عکس TEM از پودر تیتانات باریم که با آسیاب گلوله ای BaO و TiO2 به مدت 4 ساعت به دست آمد

(3) روش سنتز در دمای بالا خود تکثیر روش سنتز در دمای بالا خود انتشار (به اختصار SHS) روشی برای سنتز پودر با استفاده از خودگرم شدن و خودرسانی گرمای واکنش شیمیایی بین واکنش دهنده ها است. هنگامی که واکنش دهنده مشتعل شد، احتراق به طور خودکار به ناحیه واکنش نداده منتشر می شود تا زمانی که واکنش کامل شود. کل فرآیند نیازی به تامین انرژی غیر از انرژی اشتعال اولیه ندارد، بنابراین مصرف انرژی کم است. در واکنش می توان از پراکسید باریم BaO2 و فلز Ti یا TiO2 استفاده کرد، معادله زیر نشان داده شده است: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3. مشتعل شده و واکنش در دمای بسیار بالا انجام می شود. قطر ذرات پودر حاصل به ترتیب میکرومتر است و چون مواد خام مورد استفاده را نمی توان در سطح اتمی مخلوط کرد، خلوص محصول واکنش زیاد نیست. (4) روش سنتز احتراق در دمای پایین روش سنتز احتراق در دمای پایین (مخفف LCS) نسبتاً با روش سنتز در دمای بالا خود انتشاری (SHS) پیشنهاد شده است، که یک روش سنتز ترکیبی SHS با روش شیمیایی مرطوب است. LCS به مواد خام نیاز دارد که نیترات یا نمک های محلول باشند. واکنش احتراق در یک صفحه داغ یا در یک کوره صدا خفه کن انجام می شود. دمای واکنش را می توان در 500 درجه سانتیگراد یا کمتر انجام داد. پودر BaTiO3 با احتراق در دمای پایین نمک های باریم مختلف و سوخت های آلی سنتز شد. تصویر TEM در شکل نشان داده شده است.

عکس TEM از پودر باریم تیتانات تهیه شده توسط سنتز احتراق در دمای پایین 

به طور خلاصه، روش فاز جامد دارای مزایای فرآیند ساده و تجهیزات قابل اعتماد است. با این حال، روش فاز جامد اغلب به دمای واکنش یا دمای عملیات حرارتی بالاتر نیاز دارد، بنابراین به دست آوردن نانوبلورهای بسیار ریز دشوارتر است. علاوه بر این، ترکیب شیمیایی پودر سنتز شده با روش فاز جامد یکنواخت نیست، که بر عملکرد مبدل حلقه پیزوالکتریک متخلخل تأثیر می گذارد. به دست آوردن فاز کریستالی BaTiO3 خالص دشوار است و خلوص پودر کم است. با توجه به کیفیت پایین پودر BaTiO3 تهیه شده به روش فاز جامد، عموماً فقط برای تولید محصولاتی با الزامات عملکرد فنی کمتر استفاده می شود. اگر چه تحقیقات در مورد جامد

روش فاز قبلاً از محدودیت های روش سنتی عبور کرده است، اما به دلیل برخی مشکلات ذاتی در واکنش فاز جامد، کنترل شرایط آسان نیست و مطالعه پیچیده تر است. این سیستم به نتایج کافی و خوبی نرسیده است.