Підготовка сировини електронної п'єзокераміки твердофазним методом - порошок титанату барію

Титанат барію є основною сировиною електронної п'єзокераміки та стовпом електронної керамічної промисловості. Титанат барію має високу діелектричну проникність і низькі характеристики діелектричних втрат, а також відмінні сегнетоелектричні, п’єзоелектричні властивості, властивості витримки напруги та ізоляційні властивості, тому він широко використовується у виробництві п’єзоелектричних керамічних кільцевих компонентів, особливо термісторів PTC. Багатошарові керамічні конденсатори (MLCC), конденсатори зернограничного шару, термоелектричні елементи, п’єзоелектрична кераміка, гідролокатори, датчики, електрооптичні панелі відображення, композитні матеріали та покриття на основі полімерів. 

Титанат барію вперше був синтезований твердофазним методом. Ще після того, як у 1940-х роках було відкрито сегнетоелектрику титанату барію, такі країни, як Німеччина, Японія та Сполучені Штати, прийняли метод твердої фази для синтезу порошку титанату барію. Таким чином, можна сказати, що твердофазний метод є найбільш раннім методом у синтезі порошку титанату барію. Після майже 80 років метод твердої фази був широко і глибоко досліджений і застосований, а методи синтезу також різноманітні, які можна розділити на традиційний метод твердої фази, метод високоенергетичного кульового млину та метод спалювання. 

 (1) Традиційний твердофазний метод. Традиційний твердофазний метод використовує карбонат барію та діоксид титану як сировину та виконує тривалу реакцію прожарювання при високій температурі (близько 1000 °C) для отримання титанату барію, і, нарешті, отримує готовий продукт шляхом дроблення та подрібнення. Рівняння реакції виглядає наступним чином: BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2 Традиційний твердофазний процес простий і зрілий, обладнання надійне, обробка сировини дешева, і це був основний синтетичний метод промислового титанату барію протягом тривалого часу. Досі значна частина синтезу порошків титанату барію вище 200 нм здійснюється твердофазним методом. 

(2) Метод високоенергетичного кульового помелу. Високоенергетичний кульовий помел також є методом, який зазвичай використовується в твердофазному синтезі в останні роки. Цей метод повною мірою використовує механічний ефект механічної енергії в процесі високоенергетичного кульового помелу, який змушує сировину зазнавати низки фізичних і хімічних змін під час швидкого рафінування, що викликає різні дефекти в кристалічній структурі сировини та значно покращує хімічну активність сировини. Що, у свою чергу, п’єзокерамічні кільцеві компоненти призводить до нормальної або низькотемпературної твердої фази реакції між компонентами. Метод високоенергетичного кульового помелу почався в 1970-х роках, використовуючи 1-5 мкм BaO і 2-4 мкм TiO2 як вихідні матеріали для реакції, а також використання цирконієвих куль як середовища для кульового подрібнення протягом 4 годин для отримання порошку титанату барію з розміром зерна 20-50 нм. ТЕМ-фотографія порошку титанату барію, отриманого кульовим млином BaO і TiO2 протягом 4 годин

(3) Метод високотемпературного синтезу, що саморозповсюджується. Метод високотемпературного синтезу, що саморозповсюджується (скорочено SHS) — це метод синтезу порошку за допомогою самонагрівання та самопереведення тепла хімічної реакції між реагентами. Коли реагент запалюється, горіння автоматично поширюватиметься на непрореаговану область, доки реакція не завершиться. Весь процес не вимагає додаткової енергії, окрім енергії початкового запалювання, тому споживання енергії є низьким. Реакція може використовувати перекис барію BaO2 і реакцію металу Ti або TiO2, рівняння показано нижче: BaO2 + Ti + 1 / 2O2 → BaTiO32BaO2 + TiO2 + 1 / 2Ti → 2BaTiO3 Перевагами SHS є низьке енергоспоживання, простий процес і висока ефективність виробництва, але найбільша проблема полягає в тому, що важко контролювати реакцію, коли реагенти запалюються, і реакція є проводиться при дуже високій температурі. Діаметр отриманих частинок порошку становить близько мікрометрів, і оскільки використовувані сировинні матеріали не можна змішувати на атомарному рівні, чистота продукту реакції невисока. (4) Метод синтезу при низькій температурі. Метод синтезу при низькій температурі (скорочено LCS) запропонований відносно методу високотемпературного синтезу, що саморозповсюджується (SHS), який є методом синтезу, що поєднує SHS із методом вологої хімії. LCS вимагає, щоб сировина була нітрованою або розчинною в солях. Реакція горіння здійснюється на плиті або в муфельній печі. Температура реакції може бути 500 ° C або нижче. Порошок BaTiO3 був синтезований шляхом низькотемпературного спалювання різноманітних солей барію та органічного палива. Зображення ТЕМ показано на малюнку.

ТЕМ-фотографія порошку титанату барію, отриманого синтезом при низькотемпературному спалюванні 

Підсумовуючи, твердофазний метод має переваги простого процесу та надійного обладнання. Однак твердофазний метод часто вимагає вищої температури реакції або температури термічної обробки, тому отримати надтонкі нанокристали складніше. Крім того, хімічний склад порошку, синтезованого твердофазним методом, неоднорідний, що впливає на продуктивність спеченого п’єзоелектричного кільцевого перетворювача; важко отримати чисту кристалічну фазу BaTiO3, а чистота порошку низька. Через низьку якість порошку BaTiO3, отриманого твердофазним методом, він, як правило, використовується лише для виготовлення продукції з нижчими технічними вимогами. Хоча дослідження на твердому

фазовий метод вже вийшов за межі традиційного методу, але через деякі проблеми, властиві твердофазній реакції, умови непросто контролювати, а дослідження є більш складним. Система не досягла достатньо хороших результатів.