固相法による電子圧電セラミックス原料の調製 —— チタン酸バリウム粉末

チタン酸バリウムは電子圧電セラミックスの基本原料であり、電子セラミックス産業の柱です。チタン酸バリウムは、高誘電率、低誘電損失特性に加え、強誘電性、圧電性、耐電圧性、絶縁性に優れているため、圧電セラミックリング部品、特にPTCサーミスタの製造に広く使用されています。多層セラミック コンデンサ (MLCC)、粒界層コンデンサ、熱電素子、圧電セラミック、ソナー、センサー、電気光学ディスプレイ パネル、ポリマーベースの複合材料およびコーティング。 

チタン酸バリウムは固相法によって最初に合成されました。チタン酸バリウムの強誘電性が 1940 年代に発見されると、ドイツ、日本、米国などの国々が固相法を採用してチタン酸バリウム粉末を合成しました。したがって、固相法はチタン酸バリウム粉末の合成において最も古い方法であると言えます。 80年近くを経て、固相法は広く深く研究、応用されており、合成法も多様で、伝統的な固相法、高エネルギーボールミル法、燃焼法に分けられます。 

 (1) 従来の固相法伝統的な固相法は、炭酸バリウムと二酸化チタンを原料として、長時間高温（約1000℃）焼成反応を行ってチタン酸バリウムを生成し、最終的に粉砕・粉砕の工程を経て製品を得る方法です。反応式は次のとおりです。BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 伝統的な固相プロセスはシンプルで成熟しており、設備は信頼性が高く、原料処理は安価であり、長い間工業用チタン酸バリウムの主要な合成方法です。現在まで、200nmを超えるチタン酸バリウム粉末の合成の大部分は固相法によって行われています。 

(2) 高エネルギーボールミル法 高エネルギーボールミル法も近年固相合成でよく使われる方法です。この方法は、高エネルギーボールミル粉砕のプロセスにおける機械的エネルギーの機械的効果を最大限に利用し、原料を急速に精製しながら一連の物理的および化学的変化を引き起こし、原料の結晶構造にさまざまな欠陥を引き起こし、原料の化学的活性を大幅に向上させます。これにより、圧電セラミックリング構成要素間の常温または低温固相反応が引き起こされます。高エネルギーボールミル法は1970年代に始まり、反応原料として1〜5μmのBaOと2〜4μmのTiO2を使用し、ボールミル媒体としてジルコニアボールを4時間使用して、粒径20〜50nmのチタン酸バリウム粉末を取得しました。 BaOとTiO2を4時間ボールミリングして得られたチタン酸バリウム粉末のTEM写真

(3) 自己伝播型高温合成法 自己伝播型高温合成法（略称SHS）は、反応物質間の化学反応熱の自己発熱と自己伝導を利用して粉末を合成する方法です。反応物が点火すると、反応が完了するまで燃焼は未反応領域に自動的に伝播します。全プロセスにおいて、初期点火エネルギー以外のエネルギーを供給する必要がないため、エネルギー消費量が低くなります。反応には、過酸化バリウムBaO2と金属TiまたはTiO2の反応を使用できます。式は以下に示されています。BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 SHSの利点は、エネルギー消費が低く、プロセスが簡単で、生産効率が高いことですが、最大の問題は、反応物が点火すると反応を制御するのが難しく、反応が非常に高速で行われることです。高温。得られる粉末の粒径はマイクロメートルオーダーであり、原料を原子レベルで混合できないため、反応生成物の純度は高くありません。 (4) 低温燃焼合成法低温燃焼合成法(略称LCS)は、SHSと湿式化学法を組み合わせた合成法である自己伝播型高温合成法(SHS)と比較して提案されている。 LCS では、原材料が硝化塩または可溶性塩であることが必要です。燃焼反応はホットプレートまたはマッフル炉内で行われます。反応温度は５００℃以下で行うことができる。 BaTiO3 粉末は、さまざまなバリウム塩と有機燃料の低温燃焼によって合成されました。 TEM写真を図に示します。

低温燃焼合成により作製したチタン酸バリウム粉末のTEM写真 

要約すると、固相法にはプロセスが簡単で装置の信頼性が高いという利点があります。しかし、固相法では反応温度や熱処理温度が高くなることが多く、超微細なナノ結晶を得るのはより困難です。さらに、固相法で合成された粉末の化学組成は均一ではなく、焼結圧電リングトランスデューサの性能に影響を与えます。純粋なBaTiO3結晶相を得ることが難しく、粉末の純度が低い。固相法で調製された BaTiO3 粉末は品質が低いため、一般に、技術的性能要件が低い製品の製造にのみ使用されます。固体に関する研究ではありますが、

相法はすでに従来法の限界を突破していますが、固相反応に固有の問題があるため、条件の制御が容易ではなく、研究がより複雑になります。このシステムは十分な良い結果を達成していません。