Barium titanat (BaTiO₃) Serbuk merupakan bahan mentah utama seramik elektronik berasaskan titanat. Sebagai bahan feroelektrik tipikal dengan sifat dielektrik yang sangat baik, ia digunakan secara meluas dalam kapasitor seramik berbilang lapisan (MLCC), peranti sonar, pengesan sinaran inframerah, kapasitor seramik sempadan butiran dan termistor pekali suhu positif (PTC). Dengan prospek aplikasi yang luas, barium titanat dianggap sebagai bahan tiang seramik elektronik.
Dengan trend berterusan ke arah pengecilan saiz, reka bentuk ringan, kebolehpercayaan yang tinggi dan komponen elektronik yang nipis, permintaan untuk ketulenan tinggi dan serbuk barium titanat ultrahalus telah menjadi semakin mendesak.
Gambaran Keseluruhan Barium Titanat
Barium titanat ialah sebatian lebur yang kongruen dengan takat lebur 1618 °C. Ia mempamerkan lima polimorf kristal: heksagon, kubik, tetragon, ortorombik dan rombohedral. Pada suhu bilik, fasa tetragonal adalah stabil secara termodinamik.
Feroelektrik Barium Titanat
Apabila BaTiO₃ tertakluk kepada medan elektrik yang kuat, pengkutuban berterusan berlaku di bawah suhu Curienya iaitu kira-kira 120 °C. Barium titanat terkutub mempamerkan dua sifat utama: feroelektrik dan piezoelektrik.
Dalam kristal feroelektrik BaTiO₃, terdapat banyak kawasan kecil di mana arah pengkutuban spontan berbeza. Setiap kawasan terdiri daripada banyak sel unit dengan arah pengkutuban yang sama; kawasan ini dikenali sebagai domain. Kristal dengan struktur domain sedemikian dirujuk sebagai kristal feroelektrik atau feroelektrik. Di bawah medan elektrik luaran, saiz dan geometri domain ini berubah sewajarnya.
Suhu Curie Barium Titanat
Suhu Curie (Tc) BaTiO₃ merujuk kepada suhu peralihan fasa antara fasa tetragonal dan kubik, di mana kristal feroelektrik kehilangan pengkutuban spontannya dan struktur domain hilang. Suhu Curie BaTiO₃ adalah lebih kurang 120 °C.
Kaedah Penyediaan Serbuk Barium Titanat
Kaedah penyediaan serbuk barium titanat secara amnya boleh dibahagikan kepada tiga kategori: kaedah keadaan pepejal, kaedah hidroterma dan kaedah sol-gel.
Kaedah Keadaan Pepejal
Kaedah keadaan pepejal, juga dikenali sebagai sintesis fasa pepejal suhu tinggi, merupakan pendekatan paling klasik untuk menyediakan serbuk barium titanat. Prinsip asasnya melibatkan tindak balas terkawal resapan antara bahan mentah pepejal pada suhu tinggi.
Biasanya, barium karbonat (BaCO₃) dan titanium dioksida (TiO₂) dicampurkan mengikut nisbah stoikiometri, diikuti dengan penggilingan dan sama ada pempelan atau pengkalsinan longgar pada suhu tinggi (biasanya 1100–1300 °C) selama beberapa jam untuk mendorong tindak balas keadaan pepejal dan membentuk serbuk BaTiO₃. Tindak balas adalah seperti berikut:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂↑
Kaedah ini mempunyai peralatan yang mudah dan kos yang rendah serta telah digunakan secara meluas untuk pengeluaran perindustrian berskala besar. Walau bagaimanapun, serbuk yang terhasil biasanya mempunyai saiz zarah yang agak besar (skala mikron) dan cenderung menunjukkan penggumpalan dan pencemaran bendasing.
· Aplikasi Peralatan Pengisaran
- Kilang Bola: Digunakan semasa peringkat pengelompokan untuk mencampurkan bahan mentah secara seragam dan mengurangkan saiz Zarah, sekali gus meningkatkan luas sentuhan.
- Kilang Manik: Selepas pengkalsinan, barium titanat sering membentuk aglomerat keras; kilang manik mendatar biasanya digunakan untuk pengisaran intensif bagi mendapatkan produk mikron atau submikron.
· Kelebihan dan Kekurangan:
Kos rendah dan output tinggi, tetapi mudah memperkenalkan bendasing akibat haus dan menghasilkan serbuk yang agak kasar.
Kaedah Hidroterma
Kaedah hidroterma ialah teknik sintesis fasa cecair yang dijalankan dalam larutan akueus di bawah suhu dan tekanan tinggi, dan ia digunakan secara meluas untuk menyediakan serbuk barium titanat skala nano.
Dalam proses ini, garam barium (seperti barium hidroksida) dan garam titanium (seperti titanium klorida) dilarutkan dalam air, dengan penambahan mineralizer (contohnya, NaOH). Campuran tersebut kemudiannya direaksikan dalam autoklaf hidroterma pada suhu 150–250 °C di bawah tekanan tinggi selama beberapa jam, menghasilkan serbuk BaTiO₃ yang terhablur dengan baik secara langsung.
Kaedah ini tidak memerlukan pengkalsinan suhu tinggi dan membolehkan kawalan saiz zarah yang tepat (biasanya 50–200 nm), dengan kehabluran dan ketulenan fasa yang tinggi (tetragon atau kubik). Ia juga mesra alam. Walau bagaimanapun, ia memerlukan peralatan yang canggih dan kawalan ketat terhadap keadaan tindak balas.
· Aplikasi Peralatan Pengisaran
- Penyebaran Prekursor: Sebelum rawatan autoklaf, kilang getaran atau kilang bebola sering digunakan untuk memastikan penyebaran buburan yang homogen.
- Deaglomerasi Selepas Rawatan: Walaupun serbuk nano yang disintesis secara hidroterma mempunyai kekristalan yang tinggi, aglomerasi lembut boleh berlaku semasa pengeringan. Kilang jet biasanya digunakan pada peringkat ini. Melalui perlanggaran zarah-zarah tanpa media pengisaran, pengilangan jet berkesan memecahkan aglomerat sambil mengelakkan pencemaran logam dan memelihara ciri-ciri skala nano.
· Kelebihan dan Kekurangan:
Ketulenan yang sangat tinggi dan saiz zarah nano, menjadikannya kaedah pilihan untuk pengeluaran MLCC mewah.
Kaedah Sol–Gel
Kaedah sol-gel ialah sejenis sintesis fasa cecair yang membolehkan penyediaan serbuk dengan kawalan peringkat molekul. Titanium alkoksida (seperti tetrabutil titanat) dan garam barium (seperti barium asetat) digunakan sebagai prekursor. Melalui hidrolisis dalam pelarut organik, sol terbentuk, yang kemudiannya berubah menjadi gel melalui penyejatan atau pemanasan. Selepas pengeringan dan pengkalsinan suhu rendah (600–900 °C), serbuk BaTiO₃ diperoleh.
Kaedah ini menghasilkan serbuk dengan saiz zarah skala nano, ketulenan tinggi dan keseragaman komposisi yang sangat baik, menjadikannya sesuai untuk seramik elektronik berprestasi tinggi. Walau bagaimanapun, bahan mentahnya mahal dan kawalan pH dan suhu yang ketat diperlukan untuk mengelakkan pemendakan yang tidak homogen.
· Aplikasi Peralatan Pengisaran
- Planet Kilang Bola: Gel kering yang diperoleh melalui proses sol-gel sangat rapuh. Pengisaran kering atau basah jangka pendek dengan pengisar bebola planet sering digunakan untuk mendapatkan serbuk nano yang seragam.
· Kelebihan dan Kekurangan:
Kaedah ini menawarkan keseragaman komposisi yang terbaik, tetapi disebabkan oleh kos bahan mentah yang tinggi, ketoksikan pelarut, aglomerasi yang cepat semasa rawatan haba, dan keperluan kawalan proses yang ketat, ia sukar untuk diindustrialisasikan dan kini terhad kepada penyelidikan makmal dan aplikasi filem nipis khusus.
Kesimpulan
Tiga kaedah penyediaan utama serbuk barium titanat—kaedah keadaan pepejal, sol-gel dan hidroterma—masing-masing mempunyai kelebihan dan batasan yang berbeza. Kaedah keadaan pepejal sesuai untuk pengeluaran berskala besar tetapi menghasilkan serbuk yang agak kasar. Sebaliknya, kaedah sol-gel dan hidroterma boleh menghasilkan serbuk skala nano dan lebih sesuai untuk aplikasi elektronik mewah.
Peralatan pengisaran memainkan peranan yang sangat penting dalam semua kaedah ini: ia penting untuk pencampuran bahan mentah dan penghalusan zarah dalam sintesis keadaan pepejal, dan ia menyokong penyebaran selepas rawatan dalam proses fasa cecair. Dengan mengoptimumkan parameter pengisaran—seperti bahan media pengisaran, kelajuan putaran dan masa pengisaran—kualiti dan prestasi serbuk barium titanat dapat ditingkatkan dengan ketara.
Menjelang masa hadapan, dengan kemajuan dalam teknologi pengilangan dan penyebaran, terutamanya pengenalan peralatan pengisaran skala nano, penyediaan serbuk barium titanat akan menjadi lebih cekap, seterusnya memacu inovasi dalam industri bahan elektronik.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen