Bereiding van grondstof voor elektronische piëzo-keramiek volgens de vaste-fasemethode - bariumtitanaatpoeder

Bariumtitanaat is de basisgrondstof van elektronische piëzokeramiek en de pijler van de elektronische keramische industrie. Bariumtitanaat heeft een hoge diëlektrische constante en lage diëlektrische verlieskarakteristieken, evenals uitstekende ferro-elektrische, piëzo-elektrische, spannings- en isolatie-eigenschappen, dus wordt het veel gebruikt bij de productie van piëzo-elektrische keramische ringcomponenten, met name PTC-thermistors. Meerlaagse keramische condensatoren (MLCC's), korrelgrenslaagcondensatoren, thermo-elektrische elementen, piëzo-elektrische keramiek, sonar, sensoren, elektro-optische weergavepanelen, op polymeer gebaseerde composietmaterialen en coatings. 

Bariumtitanaat werd voor het eerst gesynthetiseerd volgens de vaste fase-methode. Al toen de ferro-elektriciteit van bariumtitanaat in de jaren veertig werd ontdekt, hebben landen als Duitsland, Japan en de Verenigde Staten de vaste fase-methode overgenomen om bariumtitanaatpoeder te synthetiseren. Daarom kan worden gezegd dat de vaste-fasemethode de vroegste methode is bij de synthese van bariumtitanaatpoeder. Na bijna 80 jaar is de vaste-fasemethode uitgebreid en diepgaand onderzocht en toegepast, en de synthesemethoden zijn ook divers, die kunnen worden onderverdeeld in de traditionele vaste-fasemethode, de hoogenergetische kogelmaalmethode en de verbrandingsmethode. 

 (1) Traditionele vaste-fasemethode De traditionele vaste-fasemethode maakt gebruik van bariumcarbonaat en titaniumdioxide als grondstoffen en voert een langdurige calcineringsreactie bij hoge temperatuur (ongeveer 1000 ° C) uit om bariumtitanaat te genereren, en verkrijgt uiteindelijk het eindproduct via een breek- en maalproces. De reactievergelijking is als volgt: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Het traditionele vastefaseproces is eenvoudig en volwassen, de apparatuur is betrouwbaar, de verwerking van grondstoffen is goedkoop en het is lange tijd de belangrijkste synthetische methode van industrieel bariumtitanaat geweest. Tot nu toe wordt een groot deel van de synthese van bariumtitanaatpoeders boven 200 nm uitgevoerd via de vaste-fasemethode. 

(2) Hoge-energiekogelmalenmethodeHoogenergetische kogelmalen is de laatste jaren ook een methode die veel wordt gebruikt in de vaste-fasesynthese. Deze methode maakt volledig gebruik van het mechanische effect van de mechanische energie tijdens het hoogenergetische kogelmalen, waardoor de grondstof een reeks fysische en chemische veranderingen ondergaat terwijl deze snel wordt verfijnd, wat verschillende defecten in de kristalstructuur van de grondstof veroorzaakt en de chemische activiteit van de grondstof aanzienlijk verbetert. Wat op zijn beurt piëzo-keramische ringcomponenten leidt tot vaste-fasereacties bij normale of lage temperaturen tussen de componenten. De hoogenergetische kogelmaalmethode begon in de jaren zeventig, waarbij 1-5 μm BaO en 2-4 μm TiO2 als reactiegrondstoffen werden gebruikt en gedurende 4 uur zirkoniumoxidekogels als kogelmaalmedium werden gebruikt om bariumtitanaatpoeder te verkrijgen met een korrelgrootte van 20-50 nm. TEM-foto van bariumtitanaatpoeder verkregen door BaO en TiO2 gedurende 4 uur in een kogelmolen te malen

(3) Zelfpropagerende hogetemperatuursynthesemethode De zelfpropagerende hogetemperatuursynthesemethode (kortweg SHS) is een methode voor het synthetiseren van poeder door gebruik te maken van zelfverhitting en zelfgeleiding van chemische reactiewarmte tussen reactanten. Zodra de reactant is ontstoken, zal de verbranding zich automatisch voortplanten naar het niet-gereageerde gebied totdat de reactie is voltooid. Het hele proces hoeft geen andere energie te leveren dan de energie van de initiële ontsteking, dus het energieverbruik is laag. De reactie kan gebruik maken van bariumperoxide BaO2 en metaal Ti- of TiO2-reactie, de vergelijking wordt hieronder weergegeven: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 De voordelen van SHS zijn een laag energieverbruik, een eenvoudig proces en een hoge productie-efficiëntie, maar het grootste probleem is dat het moeilijk is om de reactie te controleren zodra de reactanten zijn ontstoken en de reactie wordt uitgevoerd op een zeer hoge snelheid. temperatuur. De resulterende poederdeeltjes met een diameter liggen in de orde van micrometers, en omdat de gebruikte grondstoffen niet op atomair niveau kunnen worden gemengd, is de zuiverheid van het reactieproduct niet hoog. (4) Synthesemethode voor verbranding bij lage temperatuur De synthesemethode voor verbranding bij lage temperatuur (afgekort als LCS) wordt relatief voorgesteld met de zichzelf voortplantende synthesemethode bij hoge temperatuur (SHS), een synthesemethode die SHS combineert met de natchemische methode. LCS vereist dat grondstoffen genitreerde of oplosbare zouten zijn. De verbrandingsreactie wordt uitgevoerd op een kookplaat of in een moffeloven. De reactietemperatuur kan worden uitgevoerd bij 500°C of lager. BaTiO3-poeder werd gesynthetiseerd door verbranding bij lage temperatuur van verschillende bariumzouten en organische brandstoffen. De TEM-afbeelding wordt weergegeven in de figuur.

TEM-foto van bariumtitanaatpoeder bereid door verbranding bij lage temperatuur 

Samenvattend heeft de vaste-fasemethode de voordelen van een eenvoudig proces en betrouwbare apparatuur. De vastefasemethode vereist echter vaak een hogere reactietemperatuur of warmtebehandelingstemperatuur, waardoor het moeilijker is om ultrafijne nanokristallen te verkrijgen. Bovendien is de chemische samenstelling van het poeder dat wordt gesynthetiseerd door de vaste-fasemethode niet uniform, wat de prestaties van de gesinterde piëzo-elektrische ringtransducer beïnvloedt; het is moeilijk om een ​​zuivere BaTiO3-kristalfase te verkrijgen en de poederzuiverheid is laag. Vanwege de lage kwaliteit van BaTiO3-poeder, bereid volgens de vastefasemethode, wordt het over het algemeen alleen gebruikt om producten te maken met lagere technische prestatie-eisen. Hoewel het onderzoek naar de vaste stof

De fasemethode heeft de grenzen van de traditionele methode al overschreden, maar vanwege enkele problemen die inherent zijn aan de vastefasereactie zijn de omstandigheden niet gemakkelijk te controleren en is het onderzoek ingewikkelder. Het systeem heeft niet genoeg en goede resultaten behaald.