Elektronisen pietsokeramiikan raaka-aineen valmistus kiinteäfaasimenetelmällä — bariumtitanaattijauhe

Bariumtitanaatti on elektronisen pietsokeramiikan perusraaka-aine ja elektroniikkakeramiikkateollisuuden peruspilari. Bariumtitanaatilla on korkea dielektrisyysvakio ja pienet dielektriset häviöominaisuudet sekä erinomaiset ferrosähköiset, pietsosähköiset, jännite- ja eristysominaisuudet, joten sitä käytetään laajasti pietsosähköisten keraamisten rengaskomponenttien valmistuksessa, erityisesti PTC-termistoreissa. Monikerroksiset keraamiset kondensaattorit (MLCC:t), raerajakerroskondensaattorit, lämpösähköiset elementit, pietsosähköinen keramiikka, kaikuluotain, anturit, sähköoptiset näyttöpaneelit, polymeeripohjaiset komposiittimateriaalit ja pinnoitteet. 

Bariumtitanaatti syntetisoitiin ensin kiinteäfaasimenetelmällä. Jo bariumtitanaatin ferrosähköisyys havaittiin 1940-luvulla, maat, kuten Saksa, Japani ja Yhdysvallat, ovat ottaneet käyttöön kiinteän faasin menetelmän bariumtitanaattijauheen syntetisoimiseksi. Siksi voidaan sanoa, että kiinteäfaasimenetelmä on bariumtitanaattijauheen synteesin varhaisin menetelmä. Kiinteäfaasimenetelmää on lähes 80 vuoden jälkeen tutkittu ja sovellettu laajasti ja syvällisesti, ja myös synteesimenetelmät ovat monipuolisia, jotka voidaan jakaa perinteiseen kiinteäfaasimenetelmään, korkeaenergiaiseen kuulajyrsintään ja polttomenetelmään. 

 (1) Perinteinen kiinteän faasin menetelmä Perinteisessä kiinteän faasin menetelmässä käytetään bariumkarbonaattia ja titaanidioksidia raaka-aineina ja suoritetaan pitkäaikainen korkean lämpötilan (noin 1000 °C) kalsinointireaktio bariumtitanaatin muodostamiseksi ja lopuksi saadaan lopputuote murskaus- ja jauhatusprosessilla. Reaktioyhtälö on seuraava: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Perinteinen kiinteäfaasiprosessi on yksinkertainen ja kypsä, laitteet ovat luotettavia, raaka-aineen käsittely on halpaa ja se on ollut teollisen bariumtitanaatin tärkein synteettinen menetelmä pitkään. Tähän mennessä suuri osa yli 200 nm:n bariumtitanaattijauheiden synteesistä on tehty kiinteäfaasimenetelmällä. 

(2) Suurienerginen kuulajyrsintämenetelmä Suurienerginen kuulajyrsintä on myös viime vuosina yleisesti käytetty menetelmä kiinteäfaasisynteesissä. Tämä menetelmä hyödyntää täysimääräisesti mekaanisen energian mekaanista vaikutusta korkeaenergisen kuulajyrsinnän prosessissa, mikä aiheuttaa raaka-aineelle joukon fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia nopeasti jalostettaessa, mikä aiheuttaa erilaisia ​​vikoja raaka-aineen kiderakenteessa ja parantaa merkittävästi raaka-aineen kemiallista aktiivisuutta. Mikä käänteispiezokeraamisissa rengaskomponenteissa johtaa kiinteän lämpötilan reaktioon normaalin lämpötilan tai matalan lämpötilan välillä. Suurienerginen kuulajauhatusmenetelmä alkoi 1970-luvulla, jolloin reaktion raaka-aineina käytettiin 1-5 μm BaO:ta ja 2-4 μm TiO2:ta ja zirkoniumoksidipalloja käytettiin kuulajauhatusväliaineena 4 tunnin ajan, jolloin saatiin bariumtitanaattijauhetta, jonka raekoko on 20-50 nm. TEM-valokuva bariumtitanaattijauheesta, joka on saatu kuulajauhamalla BaO:ta ja TiO2:ta 4 tunnin ajan

(3) Itse leviävä korkean lämpötilan synteesimenetelmä Itse leviävä korkean lämpötilan synteesimenetelmä (lyhyesti SHS) on menetelmä jauheen syntetisoimiseksi käyttämällä itsekuumenemista ja kemiallisen reaktion lämmön itsejohtamista lähtöaineiden välillä. Kun reagoiva aine sytytetään, palaminen etenee automaattisesti reagoimattomalle alueelle, kunnes reaktio on täydellinen. Koko prosessin ei tarvitse tuottaa muuta energiaa kuin alkusytytyksen energiaa, joten energiankulutus on alhainen. Reaktiossa voidaan käyttää bariumperoksidin BaO2 ja metallin Ti tai TiO2 reaktiota, yhtälö on esitetty alla:BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3. reaktio suoritetaan erittäin korkeassa lämpötilassa. Syntyvät jauhehiukkaset ovat halkaisijaltaan mikrometrien luokkaa, ja koska käytettyjä raaka-aineita ei voida sekoittaa atomitasolla, reaktiotuotteen puhtaus ei ole korkea. (4) Matalan lämpötilan polttosynteesimenetelmä Matalan lämpötilan polttosynteesimenetelmää (lyhennettynä LCS) ehdotetaan suhteellisen itse leviävän korkean lämpötilan synteesimenetelmän (SHS) kanssa, joka on synteesimenetelmä, jossa SHS yhdistetään märkäkemialliseen menetelmään. LCS edellyttää raaka-aineiden olevan nitrattuja tai liukoisia suoloja. Palamisreaktio suoritetaan keittolevyllä tai muhveliuunissa. Reaktiolämpötila voidaan suorittaa 500 °C:ssa tai sitä alhaisemmassa lämpötilassa. BaTiO3-jauhe syntetisoitiin polttamalla matalassa lämpötilassa erilaisia ​​bariumsuoloja ja orgaanisia polttoaineita. TEM-kuva näkyy kuvassa.

TEM-valokuva bariumtitanaattijauheesta, joka on valmistettu matalan lämpötilan polttosynteesillä 

Yhteenvetona voidaan todeta, että kiinteäfaasimenetelmällä on yksinkertaisen prosessin ja luotettavan laitteiston etuja. Kiinteäfaasimenetelmä vaatii kuitenkin usein korkeamman reaktiolämpötilan tai lämpökäsittelylämpötilan, joten ultrahienojen nanokiteiden saaminen on vaikeampaa. Lisäksi kiinteäfaasimenetelmällä syntetisoidun jauheen kemiallinen koostumus ei ole tasainen, mikä vaikuttaa sintratun pietsosähköisen rengasanturin suorituskykyyn; on vaikea saada puhdasta BaTiO3-kidefaasia, ja jauheen puhtaus on alhainen. Kiinteäfaasimenetelmällä valmistetun BaTiO3-jauheen heikon laadun vuoksi sitä käytetään yleensä vain sellaisten tuotteiden valmistukseen, joilla on alhaisemmat tekniset suorituskykyvaatimukset. Vaikka tutkimus kiinteästä

faasimenetelmä on jo rikkonut perinteisen menetelmän rajat, mutta joidenkin kiinteäfaasireaktioon liittyvien ongelmien vuoksi olosuhteet eivät ole helposti hallittavissa ja tutkimus on monimutkaisempaa. Järjestelmä ei ole saavuttanut tarpeeksi ja hyviä tuloksia.