Prepararea materiei prime piezoceramice electronice prin metoda în fază solidă——pulbere de titanat de bariu

Titanatul de bariu este materia primă de bază a piezoceramicelor electronice și pilonul industriei ceramicii electronice. Titanatul de bariu are caracteristici de constantă dielectrică ridicată și pierderi dielectrice scăzute, precum și proprietăți excelente feroelectrice, piezoelectrice, de rezistență la tensiune și izolație, deci este utilizat pe scară largă la fabricarea componentelor inele ceramice piezoelectrice, în special termistori PTC. Condensatoare ceramice multistrat (MLCC), condensatoare cu strat limită de cereale, elemente termoelectrice, ceramică piezoelectrică, sonar, senzori, panouri de afișare electro-optice, materiale și acoperiri compozite pe bază de polimeri. 

Titanatul de bariu a fost sintetizat pentru prima dată prin metoda în fază solidă. Încă din anii 1940, feroelectricitatea titanatului de bariu a fost descoperită, țări precum Germania, Japonia și Statele Unite au adoptat metoda în fază solidă pentru a sintetiza pulberea de titanat de bariu. Prin urmare, se poate spune că metoda în fază solidă este cea mai timpurie metodă în sinteza pulberii de titanat de bariu. După aproape 80 de ani, metoda în fază solidă a fost cercetată și aplicată pe larg și profund, iar metodele de sinteză sunt, de asemenea, diverse, care pot fi împărțite în metoda tradițională în fază solidă, metoda de măcinare cu bile de mare energie și metoda de ardere. 

 (1) Metoda tradițională în fază solidă Metoda tradițională în fază solidă utilizează carbonat de bariu și dioxid de titan ca materii prime și efectuează o reacție de calcinare pe termen lung la temperatură înaltă (aproximativ 1000 ° C) pentru a genera titanat de bariu și, în final, obține produsul finit printr-un proces de măcinare și măcinare. Ecuația de reacție este următoarea: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Procesul tradițional în fază solidă este simplu și matur, echipamentul este fiabil, prelucrarea materiei prime este ieftină și a fost principala metodă sintetică de titanat de bariu industrial pentru o lungă perioadă de timp. Până în prezent, o mare parte a sintezei pulberilor de titanat de bariu peste 200 nm este realizată prin metoda în fază solidă. 

(2) Metoda de frezare cu bile de înaltă energie Măcinarea cu bile de înaltă energie este, de asemenea, o metodă utilizată în mod obișnuit în sinteza în fază solidă în ultimii ani. Această metodă folosește pe deplin efectul mecanic al energiei mecanice în procesul de măcinare cu bile de înaltă energie, ceea ce face ca materia primă să sufere o serie de modificări fizice și chimice în timp ce se rafinează rapid, ceea ce provoacă diverse defecte în structura cristalină a materiei prime și îmbunătățește semnificativ activitatea chimică a materiei prime. reacții în fază solidă între componente. Metoda de măcinare cu bile de înaltă energie a început în anii 1970, folosind 1-5 μm BaO și 2-4 μm TiO2 ca materii prime de reacție și folosind bile de zirconiu ca mediu de măcinare cu bile timp de 4 ore pentru a obține pulbere de titanat de bariu cu o dimensiune a granulelor de 20-50 nm. Fotografia TEM a pulberii de titanat de bariu obținută prin măcinarea cu bile de BaO și TiO2 timp de 4 ore

(3) Metoda de sinteză cu autopropagare la temperatură înaltăMetoda de sinteză cu autopropagare la temperatură înaltă (SHS pe scurt) este o metodă de sinteză a pulberii prin utilizarea autoîncălzirii și autoconducerea căldurii de reacție chimică între reactanți. Odată ce reactantul este aprins, arderea se va propaga automat în zona nereacționată până când reacția este completă. Întregul proces nu trebuie să furnizeze altă energie decât energia de aprindere inițială, astfel încât consumul de energie este scăzut. Reacția poate folosi peroxid de bariu BaO2 și reacția metal Ti sau TiO2, ecuația este prezentată mai jos: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Avantajele SHS sunt consumul scăzut de energie, proces simplu și eficiență ridicată a producției, dar cea mai dificilă problemă de control este că reacția este cea mai dificilă de control odată ce reacția este aprinsă. iar reacția se efectuează la o temperatură foarte ridicată. Particulele de pulbere rezultate cu diametrul sunt de ordinul micrometrilor și, deoarece materiile prime utilizate nu pot fi amestecate la nivel atomic, puritatea produsului de reacție nu este ridicată. (4) Metoda de sinteză a arderii la temperatură joasă Metoda de sinteză a arderii la temperatură joasă (abreviată ca LCS) este relativ propusă cu metoda de sinteză la temperatură înaltă cu autopropagare (SHS), care este o metodă de sinteză care combină SHS cu metoda chimică umedă. LCS necesită ca materiile prime să fie nitrate sau săruri solubile. Reacția de ardere se efectuează pe o placă fierbinte sau într-un cuptor cu mufă. Temperatura de reacție poate fi efectuată la 500 ° C sau mai mică. Pulberea de BaTiO3 a fost sintetizată prin arderea la temperatură joasă a diferitelor săruri de bariu și combustibili organici. Imaginea TEM este prezentată în figură.

Fotografia TEM a pulberii de titanat de bariu preparată prin sinteza de ardere la temperatură joasă 

Pe scurt, metoda în fază solidă are avantajele unui proces simplu și a unui echipament fiabil. Cu toate acestea, metoda în fază solidă necesită adesea o temperatură de reacție mai mare sau o temperatură de tratament termic, deci este mai dificil să se obțină nanocristale ultrafine. În plus, compoziția chimică a pulberii sintetizate prin metoda în fază solidă nu este uniformă, ceea ce afectează performanța traductorului inel piezoelectric sinterizat; este dificil să se obțină fază cristalină BaTiO3 pură, iar puritatea pulberii este scăzută. Datorită calității scăzute a pulberii de BaTiO3 preparată prin metoda în fază solidă, aceasta este în general utilizată numai pentru a face produse cu cerințe de performanță tehnică mai scăzute. Deşi cercetările asupra solidului

metoda fază a depășit deja limitele metodei tradiționale, dar din cauza unor probleme inerente reacției în fază solidă, condițiile nu sunt ușor de controlat, iar studiul este mai complicat. Sistemul nu a obținut rezultate suficiente și bune.