Pembuatan bahan baku keramik piezo elektronik dengan metode fase padat—bubuk barium titanat

Barium titanat merupakan bahan baku dasar piezoceramics elektronik dan pilar industri keramik elektronik. Barium titanat memiliki konstanta dielektrik yang tinggi dan karakteristik kehilangan dielektrik yang rendah serta sifat feroelektrik, piezoelektrik, ketahanan tegangan dan isolasi yang sangat baik, sehingga banyak digunakan dalam pembuatan komponen cincin keramik piezoelektrik, terutama termistor PTC. Kapasitor keramik multilapis (MLCC), kapasitor lapisan batas butir, elemen termoelektrik, keramik piezoelektrik, sonar, sensor, panel tampilan elektro-optik, material dan pelapis komposit berbasis polimer. 

Barium titanat pertama kali disintesis dengan metode fase padat. Sejak feroelektrik barium titanat ditemukan pada tahun 1940-an, negara-negara seperti Jerman, Jepang, dan Amerika Serikat telah mengadopsi metode fase padat untuk mensintesis bubuk barium titanat. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa metode fase padat merupakan metode paling awal dalam sintesis bubuk barium titanat. Setelah hampir 80 tahun, metode fase padat telah diteliti dan diterapkan secara ekstensif dan mendalam, dan metode sintesisnya juga beragam, yang dapat dibagi menjadi metode fase padat tradisional, metode penggilingan bola berenergi tinggi, dan metode pembakaran. 

 (1) Metode fase padat tradisional Metode fase padat tradisional menggunakan barium karbonat dan titanium dioksida sebagai bahan mentah, dan melakukan reaksi kalsinasi suhu tinggi jangka panjang (sekitar 1000 ° C) untuk menghasilkan barium titanat, dan akhirnya memperoleh produk jadi melalui proses penghancuran dan penggilingan. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Proses fase padat tradisional sederhana dan matang, peralatannya dapat diandalkan, pengolahan bahan bakunya murah, dan telah menjadi metode sintetik utama barium titanat industri sejak lama. Hingga saat ini, sebagian besar sintesis bubuk barium titanat di atas 200nm dilakukan dengan metode fase padat. 

(2) Metode penggilingan bola berenergi tinggi Penggilingan bola berenergi tinggi juga merupakan metode yang umum digunakan dalam sintesis fase padat dalam beberapa tahun terakhir. Metode ini memanfaatkan sepenuhnya efek mekanis energi mekanik dalam proses penggilingan bola berenergi tinggi, yang menyebabkan bahan mentah mengalami serangkaian perubahan fisik dan kimia saat pemurnian dengan cepat, yang menyebabkan berbagai cacat pada struktur kristal bahan mentah dan secara signifikan meningkatkan aktivitas kimia bahan baku. Yang mana pada komponen cincin turnpiezoceramic menyebabkan reaksi fase padat bersuhu normal atau bersuhu rendah antar komponen. Metode ball mill berenergi tinggi dimulai pada tahun 1970-an, menggunakan 1-5μm BaO dan 2-4μm TiO2 sebagai bahan baku reaksi, dan menggunakan bola zirkonia sebagai media ball milling selama 4 jam untuk memperoleh bubuk barium titanat dengan ukuran butir 20-50nm. Foto TEM bubuk barium titanat diperoleh dengan ball milling BaO dan TiO2 selama 4 jam

(3) Metode sintesis suhu tinggi yang merambat sendiri Metode sintesis suhu tinggi yang merambat sendiri (disingkat SHS) adalah metode sintesis serbuk dengan menggunakan pemanasan sendiri dan konduksi sendiri panas reaksi kimia antar reaktan. Begitu reaktan tersulut, pembakaran otomatis akan merambat ke area yang tidak bereaksi hingga reaksi selesai. Keseluruhan proses tidak perlu menyediakan energi selain energi penyalaan awal, sehingga konsumsi energinya rendah. Reaksinya dapat menggunakan reaksi barium peroksida BaO2 dan logam Ti atau TiO2, persamaannya ditunjukkan di bawah ini:BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3Kelebihan SHS adalah konsumsi energi yang rendah, proses yang sederhana, dan efisiensi produksi yang tinggi, namun permasalahan terbesarnya adalah sulitnya mengontrol reaksi setelah reaktan dinyalakan, dan reaksi dilakukan pada suhu yang sangat tinggi. Diameter partikel bubuk yang dihasilkan berada pada urutan mikrometer, dan karena bahan baku yang digunakan tidak dapat dicampur pada tingkat atom, kemurnian produk reaksi tidak tinggi. (4) Metode sintesis pembakaran suhu rendah Metode sintesis pembakaran suhu rendah (disingkat LCS) relatif diusulkan dengan metode sintesis suhu tinggi (SHS) yang merambat sendiri, yaitu metode sintesis yang menggabungkan SHS dengan metode kimia basah. LCS membutuhkan bahan baku berupa garam nitrasi atau garam larut. Reaksi pembakaran dilakukan di atas hot plate atau di dalam tungku peredam. Suhu reaksi dapat dilakukan pada 500 °C atau lebih rendah. Serbuk BaTiO3 disintesis melalui pembakaran suhu rendah berbagai garam barium dan bahan bakar organik. Gambar TEM ditunjukkan pada gambar.

Foto TEM bubuk barium titanat dibuat melalui sintesis pembakaran suhu rendah 

Singkatnya, metode fase padat memiliki keunggulan proses yang sederhana dan peralatan yang andal. Namun, metode fase padat seringkali memerlukan suhu reaksi atau suhu perlakuan panas yang lebih tinggi, sehingga lebih sulit untuk mendapatkan nanokristal ultrahalus. Selain itu, komposisi kimia bubuk yang disintesis dengan metode fase padat tidak seragam, sehingga mempengaruhi kinerja transduser cincin piezoelektrik sinter; sulit untuk mendapatkan fase kristal BaTiO3 murni, dan kemurnian bubuknya rendah. Karena rendahnya kualitas bubuk BaTiO3 yang dibuat dengan metode fase padat, umumnya hanya digunakan untuk membuat produk dengan persyaratan kinerja teknis yang lebih rendah. Meski penelitiannya padat

metode fase telah menembus batas-batas metode tradisional, namun karena beberapa masalah yang melekat pada reaksi fase padat, kondisinya tidak mudah dikendalikan, dan studinya menjadi lebih rumit. Sistem belum mencapai hasil yang cukup dan baik.