ठोस-चरण विधि--बेरियम टाइटेनेट पाउडर द्वारा इलेक्ट्रॉनिक पीजो सिरेमिक कच्चे माल की तैयारी

बेरियम टाइटेनेट इलेक्ट्रॉनिक पीज़ोसेरेमिक का मूल कच्चा माल और इलेक्ट्रॉनिक सिरेमिक उद्योग का स्तंभ है। बेरियम टाइटेनेट में उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक और कम ढांकता हुआ हानि विशेषताओं के साथ-साथ उत्कृष्ट फेरोइलेक्ट्रिक, पीजोइलेक्ट्रिक, वोल्टेज और इन्सुलेशन गुणों का सामना करना पड़ता है, इसलिए इसका व्यापक रूप से पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक रिंग घटकों, विशेष रूप से पीटीसी थर्मिस्टर्स के निर्माण में उपयोग किया जाता है। मल्टीलेयर सिरेमिक कैपेसिटर (एमएलसीसी), ग्रेन बाउंड्री लेयर कैपेसिटर, थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक, सोनार, सेंसर, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक डिस्प्ले पैनल, पॉलिमर-आधारित मिश्रित सामग्री और कोटिंग्स। 

बेरियम टाइटेनेट को सबसे पहले ठोस चरण विधि द्वारा संश्लेषित किया गया था। 1940 के दशक में जैसे ही बेरियम टाइटेनेट की फेरोइलेक्ट्रिसिटी की खोज हुई, जर्मनी, जापान और संयुक्त राज्य अमेरिका जैसे देशों ने बेरियम टाइटेनेट पाउडर को संश्लेषित करने के लिए ठोस चरण विधि को अपनाया है। इसलिए, यह कहा जा सकता है कि ठोस चरण विधि बेरियम टाइटेनेट पाउडर के संश्लेषण में सबसे प्रारंभिक विधि है। लगभग 80 वर्षों के बाद, सॉलिडफ़ेज़ विधि पर बड़े पैमाने पर और गहराई से शोध और अनुप्रयोग किया गया है, और संश्लेषण विधियाँ भी विविध हैं, जिन्हें पारंपरिक ठोस-चरण विधि, उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग विधि और दहन विधि में विभाजित किया जा सकता है। 

 (1) पारंपरिक ठोस चरण विधि पारंपरिक ठोस चरण विधि कच्चे माल के रूप में बेरियम कार्बोनेट और टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग करती है, और बेरियम टाइटेनेट उत्पन्न करने के लिए दीर्घकालिक उच्च तापमान (लगभग 1000 डिग्री सेल्सियस) कैल्सीनेशन प्रतिक्रिया करती है, और अंत में कुचलने और पीसने की प्रक्रिया के माध्यम से तैयार उत्पाद प्राप्त करती है। प्रतिक्रिया समीकरण इस प्रकार है: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 पारंपरिक ठोस चरण प्रक्रिया सरल और परिपक्व है, उपकरण विश्वसनीय है, कच्चे माल का प्रसंस्करण सस्ता है, और यह लंबे समय से औद्योगिक बेरियम टाइटेनेट की मुख्य सिंथेटिक विधि रही है। अब तक, 200nm से ऊपर बेरियम टाइटेनेट पाउडर के संश्लेषण का एक बड़ा हिस्सा ठोस-चरण विधि द्वारा किया जाता है। 

(2) उच्च ऊर्जा बॉल मिलिंग विधि उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग भी हाल के वर्षों में ठोस-चरण संश्लेषण में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली एक विधि है। यह विधि उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग की प्रक्रिया में यांत्रिक ऊर्जा के यांत्रिक प्रभाव का पूर्ण उपयोग करती है, जिससे कच्चे माल को तेजी से परिष्कृत करते समय भौतिक और रासायनिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरना पड़ता है, जिससे कच्चे माल की क्रिस्टल संरचना में विभिन्न दोष होते हैं और कच्चे माल की रासायनिक गतिविधि में काफी सुधार होता है। जो टर्नपीज़ोसेरेमिक रिंग कॉम्पोनेट्स में घटकों के बीच सामान्य तापमान या कम तापमान वाले ठोस चरण प्रतिक्रियाओं की ओर जाता है। उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग विधि 1970 के दशक में शुरू हुई, जिसमें प्रतिक्रियाशील कच्चे माल के रूप में 1-5μm BaO और 2-4μm TiO2 का उपयोग किया गया, और 20-50nm के दाने के आकार के साथ बेरियम टाइटेनेट पाउडर प्राप्त करने के लिए 4 घंटे के लिए बॉल मिलिंग मीडिया के रूप में ज़िरकोनिया गेंदों का उपयोग किया गया। 4 घंटे के लिए बॉल मिलिंग BaO और TiO2 द्वारा प्राप्त बेरियम टाइटेनेट पाउडर का TEM फोटोग्राफ

(3) स्व-प्रसार उच्च-तापमान संश्लेषण विधि स्व-प्रसार उच्च-तापमान संश्लेषण विधि (संक्षेप में एसएचएस) अभिकारकों के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया ताप के स्व-हीटिंग और स्व-संचालन का उपयोग करके पाउडर को संश्लेषित करने की एक विधि है। एक बार जब अभिकारक प्रज्वलित हो जाता है, तो प्रतिक्रिया पूरी होने तक दहन स्वचालित रूप से अप्रतिक्रिया वाले क्षेत्र में फैल जाएगा। पूरी प्रक्रिया में प्रारंभिक प्रज्वलन की ऊर्जा के अलावा अन्य ऊर्जा प्रदान करने की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए ऊर्जा की खपत कम होती है। प्रतिक्रिया में बेरियम पेरोक्साइड BaO2 और धातु Ti या TiO2 प्रतिक्रिया का उपयोग किया जा सकता है, समीकरण नीचे दिखाया गया है: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 SHS के फायदे कम ऊर्जा खपत, सरल प्रक्रिया और उच्च उत्पादन दक्षता हैं, लेकिन सबसे बड़ी समस्या यह है कि अभिकारकों के प्रज्वलित होने के बाद प्रतिक्रिया को नियंत्रित करना मुश्किल है, और प्रतिक्रिया बहुत ऊंचे तापमान पर किया जाता है. परिणामी पाउडर कणों का व्यास माइक्रोमीटर के क्रम में होता है, और क्योंकि उपयोग किए जाने वाले कच्चे माल को परमाणु स्तर पर मिश्रित नहीं किया जा सकता है, प्रतिक्रिया उत्पाद की शुद्धता अधिक नहीं होती है। (4) कम तापमान दहन संश्लेषण विधि कम तापमान दहन संश्लेषण विधि (एलसीएस के रूप में संक्षिप्त) स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण विधि (एसएचएस) के साथ अपेक्षाकृत प्रस्तावित है, जो गीले रासायनिक विधि के साथ एसएचएस को संयोजित करने वाली एक संश्लेषण विधि है। एलसीएस के लिए कच्चे माल में नाइट्रेटेड या घुलनशील लवण की आवश्यकता होती है। दहन प्रतिक्रिया एक गर्म प्लेट पर या मफल भट्ठी में की जाती है। प्रतिक्रिया तापमान 500 डिग्री सेल्सियस या उससे कम पर किया जा सकता है। BaTiO3 पाउडर को विभिन्न बेरियम लवणों और कार्बनिक ईंधनों के कम तापमान वाले दहन द्वारा संश्लेषित किया गया था। टीईएम चित्र चित्र में दिखाया गया है।

कम तापमान दहन संश्लेषण द्वारा तैयार बेरियम टाइटेनेट पाउडर की टीईएम तस्वीर 

संक्षेप में, ठोस चरण विधि में सरल प्रक्रिया और विश्वसनीय उपकरण के फायदे हैं। हालाँकि, ठोस चरण विधि के लिए अक्सर उच्च प्रतिक्रिया तापमान या ताप उपचार तापमान की आवश्यकता होती है, इसलिए अल्ट्राफाइन नैनोक्रिस्टल प्राप्त करना अधिक कठिन होता है। इसके अलावा, ठोस चरण विधि द्वारा संश्लेषित पाउडर की रासायनिक संरचना एक समान नहीं है, जो सिन्जेड पीजोइलेक्ट्रिक रिंग ट्रांसड्यूसर के प्रदर्शन को प्रभावित करती है; शुद्ध BaTiO3 क्रिस्टल चरण प्राप्त करना कठिन है, और पाउडर की शुद्धता कम है। ठोस चरण विधि द्वारा तैयार किए गए BaTiO3 पाउडर की कम गुणवत्ता के कारण, इसका उपयोग आमतौर पर केवल कम तकनीकी प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले उत्पाद बनाने के लिए किया जाता है। यद्यपि शोध ठोस पर है

चरण विधि पहले ही पारंपरिक विधि की सीमाओं को तोड़ चुकी है, लेकिन ठोस-चरण प्रतिक्रिया में निहित कुछ समस्याओं के कारण, स्थितियों को नियंत्रित करना आसान नहीं है, और अध्ययन अधिक जटिल है। सिस्टम ने पर्याप्त और अच्छे नतीजे हासिल नहीं किए हैं.