تيتانات الباريوم (BaTiO₃) يُعدّ مسحوق تيتانات الباريوم المادة الخام الأساسية للخزف الإلكتروني القائم على هذه المادة. وباعتباره مادة كهروإجهادية نموذجية ذات خصائص عازلة ممتازة، فإنه يُستخدم على نطاق واسع في مكثفات السيراميك متعددة الطبقات، وأجهزة السونار، وكواشف الأشعة تحت الحمراء، ومكثفات السيراميك ذات حدود الحبيبات، ومقاومات الحرارة ذات معامل درجة الحرارة الموجب. ونظرًا لآفاق تطبيقه الواسعة، يُعتبر تيتانات الباريوم مادةً أساسيةً في صناعة الخزف الإلكتروني.
مع استمرار التوجه نحو التصغير، والتصميم خفيف الوزن، والموثوقية العالية، والمكونات الإلكترونية الرقيقة، يزداد الطلب على المكونات عالية النقاء و مسحوق تيتانات الباريوم فائق النعومة أصبح الأمر أكثر إلحاحاً.
لمحة عامة عن تيتانات الباريوم
تيتانات الباريوم مركب ينصهر انصهارًا متجانسًا، وتبلغ درجة انصهاره 1618 درجة مئوية. وله خمسة أشكال بلورية متعددة: سداسي، ومكعب، ورباعي، ومعيني قائم، ومعيني الأوجه. ويكون الطور الرباعي مستقرًا ديناميكيًا حراريًا عند درجة حرارة الغرفة.
الخصائص الفيروكهربائية لتيتانات الباريوم
عندما يتعرض BaTiO₃ لمجال كهربائي قوي، يحدث استقطاب مستمر تحت درجة حرارة كوري التي تبلغ حوالي 120 درجة مئوية. يُظهر تيتانات الباريوم المستقطب خاصيتين رئيسيتين: الفيروكهربائية والكهروإجهادية.
في بلورات BaTiO₃ الفيروكهربائية، توجد مناطق صغيرة عديدة تختلف فيها اتجاهات الاستقطاب التلقائي. تتكون كل منطقة من خلايا وحدة متعددة ذات اتجاه استقطاب واحد؛ وتُعرف هذه المناطق بالنطاقات. تُسمى البلورات ذات هذه البنية النطاقية بالبلورات الفيروكهربائية أو المواد الفيروكهربائية. يتغير حجم هذه النطاقات وشكلها الهندسي تبعًا لتأثير مجال كهربائي خارجي.
درجة حرارة كوري لتيتانات الباريوم
تشير درجة حرارة كوري (Tc) لمركب BaTiO₃ إلى درجة حرارة التحول الطوري بين الطورين الرباعي والمكعب، حيث يفقد البلور الفيروكهربائي استقطابه التلقائي وتختفي بنية النطاقات. تبلغ درجة حرارة كوري لمركب BaTiO₃ حوالي 120 درجة مئوية.
طرق تحضير مسحوق تيتانات الباريوم
يمكن تقسيم طرق تحضير مسحوق تيتانات الباريوم بشكل عام إلى ثلاث فئات: طريقة الحالة الصلبة، والطريقة الحرارية المائية، وطريقة سول-جل.
طريقة الحالة الصلبة
تُعدّ طريقة الحالة الصلبة، والمعروفة أيضاً باسم التخليق في الحالة الصلبة عند درجات حرارة عالية، الطريقة الكلاسيكية لتحضير مساحيق تيتانات الباريوم. ويقوم مبدأها الأساسي على تفاعلات مُتحكَّم بها بالانتشار بين المواد الخام الصلبة عند درجات حرارة مرتفعة.
عادةً، يُخلط كربونات الباريوم (BaCO₃) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) بنسب قياسية، ثم يُطحن الخليط ويُكبس على شكل حبيبات أو يُكلس بشكل غير محكم عند درجات حرارة عالية (عادةً 1100-1300 درجة مئوية) لعدة ساعات لتحفيز تفاعل الحالة الصلبة وتكوين مسحوق BaTiO₃. ويكون التفاعل كما يلي:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂↑
تتميز هذه الطريقة ببساطتها من حيث المعدات وانخفاض تكلفتها، وقد تم اعتمادها على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي واسع النطاق. ومع ذلك، فإن المساحيق الناتجة عادةً ما تكون ذات أحجام جسيمات كبيرة نسبيًا (بمقياس الميكرون) وتميل إلى التكتل والتلوث بالشوائب.
• استخدام معدات الطحن
- مطحنة الكرة: يُستخدم أثناء مرحلة الخلط لخلط المواد الخام بشكل متجانس وتقليل حجم الجسيمات, وبالتالي زيادة مساحة التلامس.
- مطحنة الخرز: بعد التكليس، غالباً ما يشكل تيتانات الباريوم تكتلات صلبة؛ وتستخدم مطاحن الخرز الأفقية بشكل شائع للطحن المكثف للحصول على منتجات ميكرونية أو دون الميكرونية.
· المزايا والعيوب:
منخفضة التكلفة وعالية الإنتاجية، ولكنها عرضة لإدخال شوائب ناتجة عن التآكل وإنتاج مساحيق خشنة نسبياً.
الطريقة الحرارية المائية
الطريقة الحرارية المائية هي تقنية تركيب في الطور السائل يتم إجراؤها في محاليل مائية تحت درجة حرارة عالية وضغط عالٍ، وهي تستخدم على نطاق واسع لتحضير مساحيق تيتانات الباريوم النانوية.
في هذه العملية، تُذاب أملاح الباريوم (مثل هيدروكسيد الباريوم) وأملاح التيتانيوم (مثل كلوريد التيتانيوم) في الماء، مع إضافة عوامل مُعدِّنة (مثل هيدروكسيد الصوديوم). ثم يُفاعل المزيج في جهاز تفاعل حراري مائي عند درجة حرارة تتراوح بين 150 و250 درجة مئوية تحت ضغط عالٍ لعدة ساعات، مما ينتج عنه مباشرةً مساحيق BaTiO₃ متبلورة جيدًا.
لا تتطلب هذه الطريقة تكليسًا بدرجة حرارة عالية، وتتيح تحكمًا دقيقًا في حجم الجسيمات (عادةً 50-200 نانومتر)، مع بلورية عالية ونقاء طوري (رباعي أو مكعب). كما أنها صديقة للبيئة. مع ذلك، فهي تتطلب معدات متطورة وتحكمًا دقيقًا في ظروف التفاعل.
• استخدام معدات الطحن
- تشتت المادة الأولية: قبل المعالجة في جهاز التعقيم بالبخار، غالباً ما يتم استخدام مطاحن الاهتزاز أو مطاحن الكرات لضمان تشتت متجانس للملاط.
- تفكيك التكتلات بعد العلاج: على الرغم من أن المساحيق النانوية المصنعة حرارياً مائياً تتمتع بدرجة عالية من التبلور، إلا أنه يمكن أن يحدث تكتل ناعم أثناء التجفيف. المطاحن النفاثة تُستخدم هذه الطرق بشكل شائع في هذه المرحلة. من خلال تصادمات الجسيمات دون استخدام وسائط الطحن،, الطحن النفاث يكسر التكتلات بفعالية مع تجنب التلوث المعدني والحفاظ على الخصائص النانوية.
· المزايا والعيوب:
نقاء عالٍ للغاية وحجم جسيمات نانوي، مما يجعله الطريقة المفضلة لإنتاج مكثفات السيراميك متعددة الطبقات عالية الجودة.
طريقة السول-جل
طريقة سول-جل هي نوع من التخليق في الطور السائل تُمكّن من تحضير المساحيق مع تحكم دقيق على المستوى الجزيئي. تُستخدم ألكوكسيدات التيتانيوم (مثل تيتانات رباعي البوتيل) وأملاح الباريوم (مثل أسيتات الباريوم) كمواد أولية. من خلال التحلل المائي في مذيب عضوي، يتكون محلول غرواني، يتحول بدوره إلى هلام عن طريق التبخر أو التسخين. بعد التجفيف والتكليس عند درجة حرارة منخفضة (600-900 درجة مئوية)، نحصل على مسحوق BaTiO₃.
تُنتج هذه الطريقة مساحيق ذات حجم جسيمات نانوي، ونقاء عالٍ، وتجانس تركيبي ممتاز، مما يجعلها مناسبة للسيراميك الإلكتروني عالي الأداء. مع ذلك، فإن المواد الخام باهظة الثمن، ويتطلب الأمر تحكمًا دقيقًا في درجة الحموضة ودرجة الحرارة لتجنب الترسيب غير المتجانس.
• استخدام معدات الطحن
- كوكبي مطحنة الكرة: يتميز الجل المجفف الناتج عن عملية سول-جل بهشاشته الشديدة. وغالبًا ما يُستخدم الطحن الجاف أو الرطب لفترة قصيرة باستخدام مطحنة كروية كوكبية للحصول على مساحيق نانوية متجانسة.
· المزايا والعيوب:
توفر هذه الطريقة أفضل تجانس في التركيب، ولكن نظرًا لارتفاع تكاليف المواد الخام، وسمية المذيبات، والتكتل السريع أثناء المعالجة الحرارية، ومتطلبات التحكم الصارمة في العملية، فمن الصعب تصنيعها على نطاق صناعي، وهي حاليًا تقتصر بشكل أساسي على الأبحاث المختبرية وتطبيقات الأغشية الرقيقة المتخصصة.
خاتمة
تتميز طرق تحضير مسحوق تيتانات الباريوم الرئيسية الثلاث - طريقة الحالة الصلبة، وطريقة سول-جل، والطريقة الحرارية المائية - بمزايا وقيود مختلفة. تُعد طريقة الحالة الصلبة مناسبة للإنتاج على نطاق واسع، ولكنها تُنتج مساحيق خشنة نسبيًا. في المقابل، تُنتج طريقتي سول-جل والطريقة الحرارية المائية مساحيق نانوية، وهما أنسب للتطبيقات الإلكترونية المتطورة.
تلعب معدات الطحن دورًا لا غنى عنه في جميع هذه الطرق: فهي ضرورية لخلط المواد الخام وتحسين حجم الجسيمات في التخليق في الحالة الصلبة، كما أنها تدعم عملية التشتيت بعد المعالجة في عمليات الطور السائل. ومن خلال تحسين معايير الطحن - مثل مواد وسائط الطحن، وسرعة الدوران، ومدة الطحن - يمكن تحسين جودة وأداء مساحيق تيتانات الباريوم بشكل ملحوظ.
وبالنظر إلى المستقبل، ومع التقدم في تقنيات الطحن والتشتيت، ولا سيما إدخال معدات الطحن النانوية، سيصبح تحضير مساحيق تيتانات الباريوم أكثر كفاءة، مما يدفع الابتكار في صناعة المواد الإلكترونية.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين