Fremstilling av elektronisk piezokeramikkråmateriale ved fastfasemetoden——bariumtitanatpulver

Bariumtitanat er det grunnleggende råmaterialet til elektronisk piezokeramikk og søylen i den elektroniske keramikkindustrien. Bariumtitanat har høy dielektrisk konstant og lavt dielektrisk tapsegenskaper samt utmerkede ferroelektriske, piezoelektriske, motstandsdyktige spennings- og isolasjonsegenskaper, så det er mye brukt i produksjon av piezoelektriske keramiske ringkomponenter, spesielt PTC-termistorer. Flerlags keramiske kondensatorer (MLCC), korngrenselagskondensatorer, termoelektriske elementer, piezoelektrisk keramikk, ekkolodd, sensorer, elektro-optiske skjermpaneler, polymerbaserte komposittmaterialer og belegg. 

Bariumtitanat ble først syntetisert ved fastfasemetoden. Så tidlig som ferroelektrisiteten til bariumtitanat ble oppdaget på 1940-tallet, har land som Tyskland, Japan og USA tatt i bruk fastfasemetoden for å syntetisere bariumtitanatpulver. Derfor kan det sies at fastfasemetoden er den tidligste metoden i syntesen av bariumtitanatpulver. Etter nesten 80 år har solidfasemetoden blitt grundig forsket og anvendt, og syntesemetodene er også mangfoldige, som kan deles inn i den tradisjonelle fastfasemetoden, høyenergikulefresemetoden og forbrenningsmetoden. 

 (1) Tradisjonell fastfasemetode Den tradisjonelle fastfasemetoden bruker bariumkarbonat og titandioksid som råmateriale, og utfører en langvarig høytemperatur (ca. 1000 ° C) kalsineringsreaksjon for å generere bariumtitanat, og oppnår til slutt det ferdige produktet gjennom en knuse- og slipeprosess. Reaksjonsligningen er som følger: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Den tradisjonelle fastfaseprosessen er enkel og moden, utstyret er pålitelig, råstoffbehandlingen er billig, og det har vært den viktigste syntetiske metoden for industriell bariumtitanat i lang tid. Frem til nå er en stor del av syntesen av bariumtitanatpulvere over 200nm utført ved fastfasemetoden. 

(2) Høyenergikulefresingsmetode Høyenergikulefresing er også en metode som er vanlig brukt i fastfasesyntese de siste årene. Denne metoden utnytter den mekaniske effekten av den mekaniske energien til fulle i prosessen med høyenergikulefresing, som får råmaterialet til å gjennomgå en rekke fysiske og kjemiske endringer mens det raskt raffineres, noe som forårsaker ulike defekter i råmaterialets krystallstruktur og betydelig forbedrer den kjemiske aktiviteten til råmaterialet. Noe som igjen fører til ringtemperaturer eller lave temperaturer. fastfasereaksjoner mellom komponentene. Høyenergikulefresemetoden begynte på 1970-tallet, ved å bruke 1-5μm BaO og 2-4μm TiO2 som reaksjonsråmaterialer, og ved å bruke zirkoniumkuler som kulefresemedier i 4 timer for å oppnå bariumtitanatpulver med en kornstørrelse på 20-50nm. TEM-fotografi av bariumtitanatpulver oppnådd ved kulemaling av BaO og TiO2 i 4 timer

(3) Selvforplantende høytemperatursyntesemetodeDen selvforplantende høytemperatursyntesemetoden (SHS for short) er en metode for å syntetisere pulver ved å bruke selvoppvarming og selvledning av kjemisk reaksjonsvarme mellom reaktanter. Når reaktanten er antent, vil forbrenningen automatisk forplante seg til det ureagerte området til reaksjonen er fullført. Hele prosessen trenger ikke å gi annen energi enn energien til den første tenningen, så energiforbruket er lavt. Reaksjonen kan bruke bariumperoksid BaO2 og metall Ti- eller TiO2-reaksjon, ligningen er vist nedenfor: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Fordelene med SHS er lavt energiforbruk, enkel prosess og høy produksjonseffektivitet, men det er det største problemet å kontrollere reaksjonen en gang, men det er det største problemet å kontrollere reaksjonen. og reaksjonen utføres ved en meget høy temperatur. De resulterende pulverpartiklene med diameter er i størrelsesorden mikrometer, og fordi råmaterialene som brukes ikke kan blandes på atomnivå, er renheten til reaksjonsproduktet ikke høy. (4) Lavtemperatur forbrenningssyntesemetode Lavtemperaturforbrenningssyntesemetoden (forkortet LCS) er relativt foreslått med den selvforplantende høytemperatursyntesemetoden (SHS), som er en syntesemetode som kombinerer SHS med den våtkjemiske metoden. LCS krever at råmaterialer er nitrete eller løselige salter. Forbrenningsreaksjonen utføres på en kokeplate eller i en muffelovn. Reaksjonstemperaturen kan utføres ved 500°C eller lavere. BaTiO3-pulver ble syntetisert ved lavtemperaturforbrenning av forskjellige bariumsalter og organisk brensel. TEM-bildet er vist på figuren.

TEM-fotografi av bariumtitanatpulver fremstilt ved lavtemperaturforbrenningssyntese 

Oppsummert har fastfasemetoden fordelene med enkel prosess og pålitelig utstyr. Fastfasemetoden krever imidlertid ofte høyere reaksjonstemperatur eller varmebehandlingstemperatur, så det er vanskeligere å oppnå ultrafine nanokrystaller. I tillegg er den kjemiske sammensetningen av pulveret syntetisert ved fastfasemetoden ikke ensartet, noe som påvirker ytelsen til den sintrede piezoelektriske ringtransduseren; det er vanskelig å oppnå ren BaTiO3-krystallfase, og pulverrenheten er lav. På grunn av den lave kvaliteten på BaTiO3-pulver tilberedt ved fastfasemetoden, brukes det vanligvis bare til å lage produkter med lavere tekniske ytelseskrav. Selv om forskningen på det solide

fasemetoden har allerede brutt gjennom grensene for den tradisjonelle metoden, men på grunn av noen problemer som ligger i fastfasereaksjonen, er forholdene ikke enkle å kontrollere, og studien er mer komplisert. Systemet har ikke oppnådd nok og gode resultater.