Titanato de bário (BaTiO₃) O pó de titanato de bário é a principal matéria-prima para cerâmicas eletrônicas à base de titanato. Como um material ferroelétrico típico com excelentes propriedades dielétricas, é amplamente utilizado em capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs), dispositivos de sonar, detectores de radiação infravermelha, capacitores cerâmicos de contorno de grão e termistores com coeficiente de temperatura positivo (PTC). Com amplas perspectivas de aplicação, o titanato de bário é considerado um material fundamental para cerâmicas eletrônicas.
Com a tendência crescente de miniaturização, design leve, alta confiabilidade e componentes eletrônicos finos, a demanda por alta pureza e pó ultrafino de titanato de bário tornou-se cada vez mais urgente.
Visão geral do titanato de bário
O titanato de bário é um composto de fusão congruente com ponto de fusão de 1618 °C. Apresenta cinco polimorfos cristalinos: hexagonal, cúbico, tetragonal, ortorrômbico e romboédrico. À temperatura ambiente, a fase tetragonal é termodinamicamente estável.
Ferroelectricidade do titanato de bário
Quando o BaTiO₃ é submetido a um forte campo elétrico, ocorre polarização persistente abaixo de sua temperatura de Curie, de aproximadamente 120 °C. O titanato de bário polarizado exibe duas propriedades principais: ferroeletricidade e piezoeletricidade.
Nos cristais ferroelétricos de BaTiO₃, existem inúmeras pequenas regiões onde as direções de polarização espontânea diferem. Cada região consiste em muitas células unitárias com a mesma direção de polarização; essas regiões são conhecidas como domínios. Cristais com tais estruturas de domínio são chamados de cristais ferroelétricos ou ferroelétricos. Sob a ação de um campo elétrico externo, o tamanho e a geometria desses domínios se alteram.
Temperatura de Curie do titanato de bário
A temperatura de Curie (Tc) do BaTiO₃ refere-se à temperatura de transição de fase entre as fases tetragonal e cúbica, na qual o cristal ferroelétrico perde sua polarização espontânea e a estrutura de domínios desaparece. A temperatura de Curie do BaTiO₃ é de aproximadamente 120 °C.
Métodos de preparação do pó de titanato de bário
Os métodos de preparação do pó de titanato de bário podem ser geralmente divididos em três categorias: método de estado sólido, método hidrotérmico e método sol-gel.
Método de estado sólido
O método de estado sólido, também conhecido como síntese em fase sólida de alta temperatura, é a abordagem mais clássica para a preparação de pós de titanato de bário. O princípio básico envolve reações controladas por difusão entre matérias-primas sólidas em temperaturas elevadas.
Normalmente, o carbonato de bário (BaCO₃) e o dióxido de titânio (TiO₂) são misturados de acordo com proporções estequiométricas, seguidos de moagem e posterior granulação ou calcinação a granel em altas temperaturas (geralmente 1100–1300 °C) durante várias horas para induzir uma reação no estado sólido e formar o pó de BaTiO₃. A reação é a seguinte:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂↑
Este método caracteriza-se por equipamentos simples e baixo custo, sendo amplamente adotado para produção industrial em larga escala. No entanto, os pós resultantes geralmente apresentam partículas de tamanho relativamente grande (escala micrométrica) e tendem a apresentar aglomeração e contaminação por impurezas.
• Aplicação de equipamentos de moagem
- Moinho de bolas: Utilizado durante a fase de dosagem para misturar uniformemente as matérias-primas e reduzir tamanho da partícula, aumentando assim a área de contato.
- Moinho de esferas: Após a calcinação, o titanato de bário frequentemente forma aglomerados duros; moinhos de esferas horizontais são comumente usados para moagem intensiva, a fim de obter produtos com tamanho na ordem de mícrons ou submícrons.
• Vantagens e desvantagens:
Baixo custo e alta produção, mas propenso a introduzir impurezas induzidas pelo desgaste e a produzir pós relativamente grosseiros.
Método Hidrotermal
O método hidrotérmico é uma técnica de síntese em fase líquida realizada em soluções aquosas sob alta temperatura e alta pressão, sendo amplamente utilizado para a preparação de pós de titanato de bário em nanoescala.
Nesse processo, sais de bário (como o hidróxido de bário) e sais de titânio (como o cloreto de titânio) são dissolvidos em água, com a adição de mineralizadores (por exemplo, NaOH). A mistura é então submetida a uma reação em autoclave hidrotérmica a 150–250 °C sob alta pressão por várias horas, resultando diretamente em pós de BaTiO₃ bem cristalizados.
Este método não requer calcinação em alta temperatura e permite um controle preciso do tamanho das partículas (tipicamente 50–200 nm), com alta cristalinidade e pureza de fase (tetragonal ou cúbica). Além disso, é ecologicamente correto. No entanto, exige equipamentos sofisticados e um controle rigoroso das condições de reação.
• Aplicação de equipamentos de moagem
- Dispersão de precursores: Antes do tratamento em autoclave, moinhos vibratórios ou moinhos de bolas são frequentemente usados para garantir a dispersão homogênea da pasta.
- Desaglomeração pós-tratamento: Embora os nanopós sintetizados hidrotermicamente apresentem alta cristalinidade, pode ocorrer aglomeração durante a secagem. Moinhos a jato são comumente usados nesta etapa. Através de colisões partícula-partícula sem meios de moagem, moagem a jato Quebra eficazmente os aglomerados, evitando a contaminação por metais e preservando as características em nanoescala.
• Vantagens e desvantagens:
Pureza extremamente alta e tamanho de partícula em nanoescala, tornando-o o método preferido para a produção de MLCC de alta qualidade.
Método Sol-Gel
O método sol-gel é um tipo de síntese em fase líquida que permite a preparação de pós com controle em nível molecular. Alcóxidos de titânio (como o tetrabutil titanato) e sais de bário (como o acetato de bário) são usados como precursores. Através da hidrólise em um solvente orgânico, forma-se um sol, que então se transforma em gel por evaporação ou aquecimento. Após secagem e calcinação em baixa temperatura (600–900 °C), obtém-se o pó de BaTiO₃.
Este método produz pós com tamanho de partícula nanométrico, alta pureza e excelente uniformidade de composição, tornando-o adequado para cerâmicas eletrônicas de alto desempenho. No entanto, as matérias-primas são caras e é necessário um controle rigoroso do pH e da temperatura para evitar a precipitação não homogênea.
• Aplicação de equipamentos de moagem
- Planetário Moinho de bolas: O gel seco obtido pelo processo sol-gel é extremamente quebradiço. A moagem a seco ou úmida de curta duração com um moinho de bolas planetário é frequentemente usada para obter nanopós uniformes.
• Vantagens e desvantagens:
Este método oferece a melhor uniformidade de composição, mas devido aos altos custos das matérias-primas, à toxicidade dos solventes, à rápida aglomeração durante o tratamento térmico e aos rigorosos requisitos de controle do processo, é difícil de ser industrializado e atualmente está restrito principalmente à pesquisa laboratorial e a aplicações especializadas em filmes finos.
Conclusão
Os três principais métodos de preparação do pó de titanato de bário — método de estado sólido, método sol-gel e método hidrotérmico — apresentam vantagens e limitações distintas. O método de estado sólido é adequado para produção em larga escala, mas resulta em pós relativamente grosseiros. Em contrapartida, os métodos sol-gel e hidrotérmico permitem a produção de pós em nanoescala e são mais adequados para aplicações eletrônicas de ponta.
Os equipamentos de moagem desempenham um papel indispensável em todos esses métodos: são essenciais para a mistura de matérias-primas e o refinamento de partículas na síntese em estado sólido, e auxiliam na dispersão pós-tratamento em processos em fase líquida. Ao otimizar os parâmetros de moagem — como materiais do meio de moagem, velocidade de rotação e tempo de moagem — a qualidade e o desempenho dos pós de titanato de bário podem ser significativamente aprimorados.
Olhando para o futuro, com os avanços nas tecnologias de moagem e dispersão, particularmente a introdução de equipamentos de moagem em nanoescala, a preparação de pós de titanato de bário se tornará mais eficiente, impulsionando ainda mais a inovação na indústria de materiais eletrônicos.
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— Publicado por Emily Chen