Beredning av elektroniskt piezokeramiskt råmaterial genom fastfasmetod——bariumtitanatpulver

Bariumtitanat är det grundläggande råmaterialet för elektronisk piezokeramik och pelaren i den elektroniska keramikindustrin. Bariumtitanat har hög dielektricitetskonstant och låga dielektriska förlustegenskaper samt utmärkta ferroelektriska, piezoelektriska, tål spännings- och isoleringsegenskaper, så det används i stor utsträckning vid tillverkning av piezoelektriska keramiska ringkomponenter, särskilt PTC-termistorer. Flerlagers keramiska kondensatorer (MLCC), korngränsskiktskondensatorer, termoelektriska element, piezoelektrisk keramik, ekolod, sensorer, elektrooptiska displaypaneler, polymerbaserade kompositmaterial och beläggningar. 

Bariumtitanat syntetiserades först med fastfasmetoden. Så tidigt som ferroelektriciteten hos bariumtitanat upptäcktes på 1940-talet, har länder som Tyskland, Japan och USA antagit fastfasmetoden för att syntetisera bariumtitanatpulver. Därför kan man säga att fastfasmetoden är den tidigaste metoden vid syntes av bariumtitanatpulver. Efter nästan 80 år har solidfasmetoden undersökts och tillämpats omfattande och djupt, och syntesmetoderna är också mångsidiga, som kan delas upp i den traditionella solidfasmetoden, högenergikulfräsmetoden och förbränningsmetoden. 

 (1) Traditionell fastfasmetod Den traditionella fastfasmetoden använder bariumkarbonat och titandioxid som råmaterial och utför en långvarig högtemperatur (ca 1000 ° C) kalcineringsreaktion för att generera bariumtitanat, och slutligen erhåller den färdiga produkten genom en krossnings- och malningsprocess. Reaktionsekvationen är som följer: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Den traditionella fastfasprocessen är enkel och mogen, utrustningen är pålitlig, råmaterialbearbetningen är billig och det har varit den huvudsakliga syntetiska metoden för industriellt bariumtitanat under lång tid. Hittills har en stor del av syntesen av bariumtitanatpulver över 200nm utförts med fastfasmetoden. 

(2) Högenergikulfräsningsmetod Högenergikulfräsning är också en metod som ofta har använts i fastfassyntes under de senaste åren. Denna metod utnyttjar den mekaniska energins mekaniska effekt till fullo i processen med högenergikulmalning, vilket gör att råmaterialet genomgår en serie fysiska och kemiska förändringar samtidigt som det snabbt förädlas, vilket orsakar olika defekter i råmaterialets kristallstruktur och avsevärt förbättrar råmaterialets kemiska aktivitet. Vilket i tur och ordning leder till normala temperaturer eller låga temperaturer. fastfasreaktioner mellan komponenterna. Högenergikulmalningsmetoden började på 1970-talet, med användning av 1-5 μm BaO och 2-4 μm TiO2 som reaktionsråmaterial, och med hjälp av zirkoniumdioxidkulor som kulmalningsmedia under 4 timmar för att erhålla bariumtitanatpulver med en kornstorlek på 20-50 nm. TEM-fotografi av bariumtitanatpulver erhållet genom kulmalning av BaO och TiO2 i 4 timmar

(3) Självförökande högtemperatursyntesmetodDen självförökande högtemperatursyntesmetoden (SHS för kort) är en metod för att syntetisera pulver genom att använda självuppvärmning och självledning av kemisk reaktionsvärme mellan reaktanter. När reaktanten har antänts kommer förbränningen automatiskt att spridas till det oreagerade området tills reaktionen är fullbordad. Hela processen behöver inte ge annan energi än energin från den initiala antändningen, så energiförbrukningen är låg. Reaktionen kan använda bariumperoxid BaO2 och metall Ti- eller TiO2-reaktion, ekvationen visas nedan: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Fördelarna med SHS är låg energiförbrukning, enkel process och hög produktionseffektivitet, men det är det största problemet att kontrollera reaktionen, men när det en gång är det största problemet att kontrollera reaktionen och reaktionen utförs vid en mycket hög temperatur. De resulterande pulverpartiklarna med diameter är i storleksordningen mikrometer, och eftersom de använda råmaterialen inte kan blandas på atomnivå, är renheten hos reaktionsprodukten inte hög. (4) Lågtemperaturförbränningssyntesmetoden Lågtemperaturförbränningssyntesmetoden (förkortad LCS) är relativt föreslagen med den självförökande högtemperatursyntesmetoden (SHS), som är en syntesmetod som kombinerar SHS med den våtkemiska metoden. LCS kräver att råvaror är nitrerade eller lösliga salter. Förbränningsreaktionen utförs på en varm platta eller i en muffelugn. Reaktionstemperaturen kan utföras vid 500°C eller lägre. BaTiO3-pulver syntetiserades genom lågtemperaturförbränning av olika bariumsalter och organiska bränslen. TEM-bilden visas i figuren.

TEM-fotografi av bariumtitanatpulver framställt genom lågtemperaturförbränningssyntes 

Sammanfattningsvis har fastfasmetoden fördelarna med enkel process och pålitlig utrustning. Fastfasmetoden kräver dock ofta en högre reaktionstemperatur eller värmebehandlingstemperatur, så det är svårare att få ultrafina nanokristaller. Dessutom är den kemiska sammansättningen av pulvret som syntetiseras med fastfasmetoden inte enhetlig, vilket påverkar prestandan hos den sintrade piezoelektriska ringomvandlaren; det är svårt att erhålla ren BaTiO3-kristallfas och pulverrenheten är låg. På grund av den låga kvaliteten på BaTiO3-pulver framställt med fastfasmetoden, används det i allmänhet endast för att tillverka produkter med lägre tekniska prestandakrav. Även om forskningen på det fasta

fasmetoden har redan brutit igenom gränserna för den traditionella metoden, men på grund av vissa problem som är inneboende i fastfasreaktionen är förhållandena inte lätta att kontrollera, och studien är mer komplicerad. Systemet har inte uppnått tillräckligt och goda resultat.