Титанат бария (BaTiO₃) Порошок титаната является основным сырьевым материалом для электронной керамики на основе титаната. Как типичный сегнетоэлектрический материал с превосходными диэлектрическими свойствами, он широко используется в многослойных керамических конденсаторах (MLCC), гидролокационных устройствах, детекторах инфракрасного излучения, керамических конденсаторах с границами зерен и терморезисторах с положительным температурным коэффициентом (PTC). Благодаря широким перспективам применения, титанат бария считается одним из основных материалов электронной керамики.
В условиях продолжающейся тенденции к миниатюризации, облегченной конструкции, высокой надежности и тонким электронным компонентам возрастает спрос на высокочистые и ультрадисперсный порошок титаната бария Это становится все более актуальным.
Обзор титаната бария
Титанат бария — это конгруэнтно плавящееся соединение с температурой плавления 1618 °C. Он имеет пять кристаллических полиморфных форм: гексагональную, кубическую, тетрагональную, орторомбическую и ромбоэдрическую. При комнатной температуре тетрагональная фаза термодинамически стабильна.
Сегнетоэлектричество титаната бария
При воздействии сильного электрического поля на BaTiO₃ возникает устойчивая поляризация ниже температуры Кюри, составляющей приблизительно 120 °C. Поляризованный титанат бария обладает двумя ключевыми свойствами: сегнетоэлектричеством и пьезоэлектричеством.
В сегнетоэлектрических кристаллах BaTiO₃ существует множество небольших областей, в которых направления спонтанной поляризации различаются. Каждая область состоит из множества элементарных ячеек с одинаковым направлением поляризации; эти области известны как домены. Кристаллы с такой доменной структурой называются сегнетоэлектрическими кристаллами или сегнетоэлектриками. Под действием внешнего электрического поля размер и геометрия этих доменов соответственно изменяются.
Температура Кюри титаната бария
Температура Кюри (Tc) BaTiO₃ обозначает температуру фазового перехода между тетрагональной и кубической фазами, при которой сегнетоэлектрический кристалл теряет свою спонтанную поляризацию, а доменная структура исчезает. Температура Кюри BaTiO₃ составляет приблизительно 120 °C.
Способы получения порошка титаната бария
Методы получения порошка титаната бария, как правило, можно разделить на три категории: твердофазный метод, гидротермальный метод и золь-гель метод.
Метод твердого состояния
Твердофазный метод, также известный как высокотемпературный твердофазный синтез, является наиболее классическим подходом к получению порошков титаната бария. Основной принцип заключается в диффузионно-контролируемых реакциях между твердыми исходными материалами при повышенных температурах.
Как правило, карбонат бария (BaCO₃) и диоксид титана (TiO₂) смешивают в стехиометрических соотношениях, затем измельчают и либо гранулируют, либо подвергают прокаливанию при высоких температурах (обычно 1100–1300 °C) в течение нескольких часов для инициирования твердофазной реакции и образования порошка BaTiO₃. Реакция протекает следующим образом:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂↑
Этот метод отличается простым оборудованием и низкой стоимостью и получил широкое распространение в крупномасштабном промышленном производстве. Однако получаемые порошки обычно имеют относительно большие размеры частиц (микронный масштаб) и склонны к агломерации и загрязнению примесями.
• Применение шлифовального оборудования
- Шаровая Мельница: Используется на стадии дозирования для равномерного смешивания сырья и уменьшения... размер частицы, тем самым увеличивая площадь контакта.
- Шаровая мельница: После прокаливания титанат бария часто образует твердые агломераты; для интенсивного измельчения с целью получения продуктов микронного или субмикронного размера обычно используются горизонтальные шаровые мельницы.
• Преимущества и недостатки:
Низкая стоимость и высокая производительность, но склонность к внесению примесей, образующихся в результате износа, и получению относительно крупнозернистых порошков.
Гидротермальный метод
Гидротермальный метод — это метод жидкофазного синтеза, проводимый в водных растворах при высокой температуре и высоком давлении, и он широко используется для получения наноразмерных порошков титаната бария.
В этом процессе соли бария (например, гидроксид бария) и соли титана (например, хлорид титана) растворяются в воде с добавлением минерализаторов (например, NaOH). Затем смесь подвергается реакции в гидротермальном автоклаве при температуре 150–250 °C под высоким давлением в течение нескольких часов, непосредственно получая хорошо кристаллизованные порошки BaTiO₃.
Этот метод не требует высокотемпературного прокаливания и позволяет точно контролировать размер частиц (обычно 50–200 нм) с высокой степенью кристалличности и чистотой фазы (тетрагональная или кубическая). Он также экологически безопасен. Однако он требует сложного оборудования и строгого контроля условий реакции.
• Применение шлифовального оборудования
- Дисперсия прекурсоров: Перед автоклавированием часто используют вибрационные или шаровые мельницы для обеспечения однородного распределения суспензии.
- Деагломерация после лечения: Несмотря на высокую степень кристалличности нанопорошков, синтезированных гидротермальным методом, в процессе сушки может происходить мягкая агломерация. Струйные мельницы На этом этапе обычно используются. В результате столкновений частиц друг с другом без использования измельчающих сред, струйное фрезерование Эффективно разрушает агломераты, избегая при этом загрязнения металлами и сохраняя наноразмерные характеристики.
• Преимущества и недостатки:
Чрезвычайно высокая чистота и наноразмер частиц делают этот метод предпочтительным для производства высококачественных многослойных керамических конденсаторов (MLCC).
Золь-гель метод
Золь-гель метод — это тип жидкофазного синтеза, позволяющий получать порошки с контролем на молекулярном уровне. В качестве прекурсоров используются алкоксиды титана (например, тетрабутилтитанат) и соли бария (например, ацетат бария). Путем гидролиза в органическом растворителе образуется золь, который затем превращается в гель путем испарения или нагревания. После сушки и низкотемпературного прокаливания (600–900 °C) получают порошок BaTiO₃.
Этот метод позволяет получать порошки с наноразмерными частицами, высокой чистотой и превосходной однородностью состава, что делает его пригодным для высокоэффективной электронной керамики. Однако сырье дорогое, и для предотвращения неоднородного осаждения требуется строгий контроль pH и температуры.
• Применение шлифовального оборудования
- Планетарный Шаровая Мельница: Полученный методом золь-гель высушенный гель чрезвычайно хрупкий. Для получения однородных нанопорошков часто используется кратковременное сухое или влажное измельчение в планетарной шаровой мельнице.
• Преимущества и недостатки:
Этот метод обеспечивает наилучшую однородность состава, но из-за высокой стоимости сырья, токсичности растворителей, быстрой агломерации во время термообработки и жестких требований к контролю технологического процесса его трудно внедрить в промышленность, и в настоящее время он в основном ограничен лабораторными исследованиями и специализированными приложениями для тонких пленок.
Заключение
Три основных метода получения порошка титаната бария — твердофазный, золь-гель и гидротермальный — имеют свои преимущества и ограничения. Твердофазный метод подходит для крупномасштабного производства, но дает относительно крупнозернистые порошки. В отличие от него, золь-гель и гидротермальный методы позволяют получать наноразмерные порошки и лучше подходят для высокотехнологичных электронных применений.
Измельчающее оборудование играет незаменимую роль во всех этих методах: оно необходимо для смешивания сырья и измельчения частиц при твердофазном синтезе, а также обеспечивает диспергирование после обработки в жидкофазных процессах. Оптимизация параметров измельчения, таких как материалы измельчающих тел, скорость вращения и время измельчения, позволяет значительно улучшить качество и характеристики порошков титаната бария.
В перспективе, благодаря достижениям в технологиях измельчения и диспергирования, в частности внедрению наноразмерного шлифовального оборудования, получение порошков титаната бария станет более эффективным, что еще больше подстегнет инновации в индустрии электронных материалов.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен