Preparazione della materia prima per ceramica piezoelettrica elettronica mediante metodo in fase solida: polvere di titanato di bario

Il titanato di bario è la materia prima di base della ceramica elettronica e il pilastro dell'industria della ceramica elettronica. Il titanato di bario ha caratteristiche di elevata costante dielettrica e bassa perdita dielettrica, nonché eccellenti proprietà ferroelettriche, piezoelettriche, di resistenza alla tensione e di isolamento, quindi è ampiamente utilizzato nella produzione di componenti ad anello ceramico piezoelettrici, in particolare termistori PTC. Condensatori ceramici multistrato (MLCC), condensatori a strato limite a grani, elementi termoelettrici, ceramiche piezoelettriche, sonar, sensori, pannelli di visualizzazione elettro-ottici, materiali compositi e rivestimenti a base polimerica. 

Il titanato di bario è stato sintetizzato per la prima volta con il metodo della fase solida. Non appena fu scoperta la ferroelettricità del titanato di bario negli anni '40, paesi come Germania, Giappone e Stati Uniti hanno adottato il metodo in fase solida per sintetizzare la polvere di titanato di bario. Pertanto, si può affermare che il metodo in fase solida è il primo metodo nella sintesi della polvere di titanato di bario. Dopo quasi 80 anni, il metodo in fase solida è stato ampiamente e profondamente studiato e applicato, e anche i metodi di sintesi sono diversi, che possono essere suddivisi in metodo tradizionale in fase solida, metodo di macinazione a sfere ad alta energia e metodo di combustione. 

 (1) Metodo tradizionale in fase solida Il metodo tradizionale in fase solida utilizza carbonato di bario e biossido di titanio come materie prime ed esegue una reazione di calcinazione a lungo termine ad alta temperatura (circa 1000 ° C) per generare titanato di bario e infine ottiene il prodotto finito attraverso un processo di frantumazione e macinazione. L'equazione di reazione è la seguente: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Il tradizionale processo in fase solida è semplice e maturo, l'attrezzatura è affidabile, la lavorazione delle materie prime è economica ed è stato per lungo tempo il principale metodo sintetico di titanato di bario industriale. Fino ad ora, gran parte della sintesi delle polveri di titanato di bario superiori a 200 nm viene effettuata con il metodo in fase solida. 

(2) Metodo di macinazione a sfere ad alta energia Anche la macinazione a sfere ad alta energia è un metodo comunemente utilizzato negli ultimi anni nella sintesi in fase solida. Questo metodo sfrutta appieno l'effetto meccanico dell'energia meccanica nel processo di macinazione a sfere ad alta energia, che fa sì che la materia prima subisca una serie di cambiamenti fisici e chimici durante la rapida raffinazione, che causa vari difetti nella struttura cristallina della materia prima e migliora significativamente l'attività chimica della materia prima. Che nei componenti ad anello piezoceramico porta a reazioni in fase solida a temperatura normale o a bassa temperatura tra i componenti. Il metodo di macinazione a sfere ad alta energia è iniziato negli anni '70, utilizzando 1-5μm BaO e 2-4μm TiO2 come materie prime di reazione e utilizzando sfere di zirconio come mezzo di macinazione a sfere per 4 ore per ottenere polvere di titanato di bario con una granulometria di 20-50 nm. Fotografia TEM della polvere di titanato di bario ottenuta mediante macinazione a palle di BaO e TiO2 per 4 ore

(3) Metodo di sintesi ad alta temperatura autopropaganteIl metodo di sintesi ad alta temperatura autopropagante (abbreviato SHS) è un metodo per sintetizzare la polvere utilizzando l'autoriscaldamento e l'autoconduzione del calore della reazione chimica tra i reagenti. Una volta acceso il reagente, la combustione si propagherà automaticamente all'area non reagita fino al completamento della reazione. L'intero processo non necessita di fornire energia oltre a quella di accensione iniziale, quindi il consumo energetico è basso. La reazione può utilizzare perossido di bario BaO2 e metallo Ti o TiO2, l'equazione è mostrata di seguito: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 I vantaggi di SHS sono il basso consumo energetico, il processo semplice e l'elevata efficienza di produzione, ma il problema più grande è che è difficile controllare la reazione una volta che i reagenti sono accesi e la reazione viene eseguita a una velocità molto elevata temperatura. Le particelle di polvere risultanti hanno un diametro dell'ordine dei micrometri e poiché le materie prime utilizzate non possono essere miscelate a livello atomico, la purezza del prodotto di reazione non è elevata. (4) Metodo di sintesi con combustione a bassa temperatura Il metodo di sintesi con combustione a bassa temperatura (abbreviato come LCS) è proposto relativamente con il metodo di sintesi ad alta temperatura autopropagante (SHS), che è un metodo di sintesi che combina SHS con il metodo chimico umido. LCS richiede che le materie prime siano nitrate o sali solubili. La reazione di combustione viene effettuata su piastra calda o in forno a muffola. La temperatura di reazione può essere effettuata a 500°C o inferiore. La polvere di BaTiO3 è stata sintetizzata mediante combustione a bassa temperatura di vari sali di bario e combustibili organici. L'immagine TEM è mostrata in figura.

Fotografia TEM della polvere di titanato di bario preparata mediante sintesi di combustione a bassa temperatura 

In sintesi, il metodo in fase solida presenta i vantaggi di un processo semplice e di un’attrezzatura affidabile. Tuttavia, il metodo in fase solida spesso richiede una temperatura di reazione o una temperatura di trattamento termico più elevata, quindi è più difficile ottenere nanocristalli ultrafini. Inoltre, la composizione chimica della polvere sintetizzata con il metodo in fase solida non è uniforme, il che influisce sulle prestazioni del trasduttore ad anello piezoelettrico sinterizzato; è difficile ottenere la fase cristallina BaTiO3 pura e la purezza della polvere è bassa. A causa della bassa qualità della polvere di BaTiO3 preparata con il metodo in fase solida, viene generalmente utilizzata solo per realizzare prodotti con requisiti di prestazione tecnica inferiori. Sebbene la ricerca sul solido

Il metodo in fase solida ha già superato i limiti del metodo tradizionale, ma a causa di alcuni problemi inerenti alla reazione in fase solida, le condizioni non sono facili da controllare e lo studio è più complicato. Il sistema non ha ottenuto risultati sufficienti e buoni.