Priprema elektroničke piezo keramičke sirovine metodom čvrste faze——barijev titanat u prahu

Barijev titanat osnovna je sirovina elektroničke piezokeramike i stup elektroničke keramičke industrije. Barijev titanat ima karakteristike visoke dielektrične konstante i niske dielektrične gubitke, kao i izvrsna feroelektrična, piezoelektrična svojstva, svojstva otpornosti na napon i izolacijska svojstva, tako da se naširoko koristi u proizvodnji piezoelektričnih keramičkih prstenastih komponenti, posebno PTC termistora. Višeslojni keramički kondenzatori (MLCC), kondenzatori graničnog sloja zrna, termoelektrični elementi, piezoelektrična keramika, sonari, senzori, elektrooptički zasloni, kompozitni materijali i premazi na bazi polimera. 

Barijev titanat prvi put je sintetiziran metodom čvrste faze. Čim je 1940-ih otkriven feroelektricitet barijevog titanata, zemlje poput Njemačke, Japana i Sjedinjenih Država usvojile su metodu čvrste faze za sintezu praha barijevog titanata. Stoga se može reći da je metoda čvrste faze najranija metoda u sintezi praha barij titanata. Nakon gotovo 80 godina, metoda čvrste faze je opsežno i duboko istražena i primijenjena, a metode sinteze su također raznolike, koje se mogu podijeliti na tradicionalnu metodu čvrste faze, metodu visokoenergetskog kugličnog mljevenja i metodu izgaranja. 

 (1) Tradicionalna metoda krute faze. Tradicionalna metoda krute faze koristi barijev karbonat i titanijev dioksid kao sirovine i provodi dugotrajnu reakciju kalcinacije na visokoj temperaturi (oko 1000 °C) za stvaranje barijevog titanata, te na kraju dobiva gotov proizvod kroz proces drobljenja i mljevenja. Reakcijska jednadžba je sljedeća: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Tradicionalni proces čvrste faze jednostavan je i zreo, oprema je pouzdana, obrada sirovina je jeftina i dugo je bila glavna sintetička metoda industrijskog barijevog titanata. Do sada se veliki dio sinteze praha barijevog titanata iznad 200 nm provodi metodom čvrste faze. 

(2) Metoda visokoenergetskog kugličnog mljevenja Visokoenergetsko kuglično mljevenje također je metoda koja se posljednjih godina često koristi u sintezi čvrste faze. Ova metoda u potpunosti iskorištava mehanički učinak mehaničke energije u procesu visokoenergetskog kugličnog mljevenja, što uzrokuje da sirovina prolazi kroz niz fizičkih i kemijskih promjena dok se brzo rafinira, što uzrokuje različite nedostatke u kristalnoj strukturi sirovine i značajno poboljšava kemijsku aktivnost sirovine. Što zauzvrat piezokeramičke prstenaste komponente dovodi do normalne temperature ili niske temperature čvrste faze reakcije između komponenti. Metoda visokoenergetskog kugličnog mljevenja započela je 1970-ih, korištenjem 1-5 μm BaO i 2-4 μm TiO2 kao reakcijskih sirovina i korištenjem cirkonijevih kuglica kao medija za kuglično mljevenje tijekom 4 sata kako bi se dobio prah barijeva titanata s veličinom zrna od 20-50 nm. TEM fotografija praha barijevog titanata dobivenog kugličnim mljevenjem BaO i TiO2 tijekom 4 sata

(3) Metoda samopropagirajuće visokotemperaturne sinteze Metoda samopropagirajuće visokotemperaturne sinteze (skraćeno SHS) je metoda za sintetiziranje praha korištenjem samozagrijavanja i samoprovođenja topline kemijske reakcije između reaktanata. Nakon što se reaktant zapali, izgaranje će se automatski proširiti na neizreagirano područje dok reakcija ne završi. Cijeli proces ne treba osigurati energiju osim energije početnog paljenja, tako da je potrošnja energije mala. Reakcija može koristiti barijev peroksid BaO2 i reakciju metala Ti ili TiO2, jednadžba je prikazana u nastavku: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Prednosti SHS su niska potrošnja energije, jednostavan proces i visoka učinkovitost proizvodnje, ali najveći problem je što je teško kontrolirati reakciju nakon što se reaktanti zapale, a reakcija je provodi se na vrlo visokoj temperaturi. Promjer dobivenih čestica praha je veličine mikrometara, a budući da se korištene sirovine ne mogu miješati na atomskoj razini, čistoća produkta reakcije nije visoka. (4) Metoda sinteze niskotemperaturnim izgaranjem Metoda sinteze niskotemperaturnim izgaranjem (skraćeno kao LCS) relativno je predložena s metodom samopropagirajuće visokotemperaturne sinteze (SHS), koja je metoda sinteze koja kombinira SHS s mokrom kemijskom metodom. LCS zahtijeva da sirovine budu nitrirane ili topljive soli. Reakcija izgaranja provodi se na vrućoj ploči ili u mufelnoj peći. Temperatura reakcije može se provesti na 500 °C ili niže. Prah BaTiO3 sintetiziran je niskotemperaturnim izgaranjem raznih barijevih soli i organskih goriva. TEM slika prikazana je na slici.

TEM fotografija praha barijevog titanata pripremljenog sintezom izgaranjem na niskoj temperaturi 

Ukratko, metoda čvrste faze ima prednosti jednostavnog procesa i pouzdane opreme. Međutim, metoda čvrste faze često zahtijeva višu reakcijsku temperaturu ili temperaturu toplinske obrade, pa je teže dobiti ultrafine nanokristale. Osim toga, kemijski sastav praha sintetiziranog metodom čvrste faze nije ujednačen, što utječe na performanse sinteriranog piezoelektričnog prstenastog pretvarača; teško je dobiti čistu kristalnu fazu BaTiO3, a čistoća praha je niska. Zbog niske kvalitete BaTiO3 praha pripremljenog metodom čvrste faze, općenito se koristi samo za izradu proizvoda s nižim tehničkim zahtjevima. Iako su istraživanja na čvrstom

fazna metoda već je probila granice tradicionalne metode, ali zbog nekih problema svojstvenih reakciji čvrste faze, uvjete nije lako kontrolirati, a studija je kompliciranija. Sustav nije postigao dovoljno dobre rezultate.