แบเรียมไททาเนต (BaTiO₃) ผงแบเรียมไททาเนตเป็นวัตถุดิบหลักของเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ชนิดไททาเนต เนื่องจากเป็นวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกที่มีคุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกดีเยี่ยม จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCCs) อุปกรณ์โซนาร์ เครื่องตรวจจับรังสีอินฟราเรด ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบขอบเกรน และเทอร์มิสเตอร์แบบสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) ด้วยโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง แบเรียมไททาเนตจึงถือเป็นวัสดุหลักของเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์.
ด้วยแนวโน้มที่กำลังดำเนินไปอย่างต่อเนื่องในการย่อขนาด การออกแบบที่น้ำหนักเบา ความน่าเชื่อถือสูง และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่บาง ทำให้ความต้องการความบริสุทธิ์สูงและ ผงแบเรียมไททาเนตละเอียดพิเศษ เรื่องนี้กลายเป็นเรื่องเร่งด่วนมากขึ้นเรื่อยๆ.
ภาพรวมของแบเรียมไททาเนต
แบเรียมไททาเนตเป็นสารประกอบที่หลอมเหลวแบบสอดคล้องกัน โดยมีจุดหลอมเหลวที่ 1618 องศาเซลเซียส มีโครงสร้างผลึก 5 รูปแบบ ได้แก่ หกเหลี่ยม ลูกบาศก์ สี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า และรูปทรงสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ที่อุณหภูมิห้อง รูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสมีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์.
เฟอร์โรอิเล็กทริกของแบเรียมไททาเนต
เมื่อ BaTiO₃ อยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง จะเกิดการโพลาไรเซชันอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิคิวรีซึ่งอยู่ที่ประมาณ 120 °C แบเรียมไททาเนตที่เกิดการโพลาไรซ์จะแสดงคุณสมบัติสำคัญสองประการ ได้แก่ เฟอร์โรอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริก.
ในผลึกเฟอร์โรอิเล็กทริก BaTiO₃ มีบริเวณเล็กๆ จำนวนมากที่มีทิศทางการโพลาไรเซชันแบบธรรมชาติแตกต่างกัน แต่ละบริเวณประกอบด้วยเซลล์หน่วยจำนวนมากที่มีทิศทางการโพลาไรเซชันเดียวกัน บริเวณเหล่านี้เรียกว่าโดเมน ผลึกที่มีโครงสร้างโดเมนดังกล่าวเรียกว่าผลึกเฟอร์โรอิเล็กทริกหรือเฟอร์โรอิเล็กทริก ภายใต้สนามไฟฟ้าภายนอก ขนาดและรูปทรงของโดเมนเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามนั้น.
อุณหภูมิคิวรีของแบเรียมไททาเนต
อุณหภูมิคิวรี (Tc) ของ BaTiO₃ หมายถึงอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสระหว่างเฟสเตตระโกนัลและเฟคิวบี ซึ่งผลึกเฟอร์โรอิเล็กทริกจะสูญเสียโพลาไรเซชันแบบธรรมชาติและโครงสร้างโดเมนจะหายไป อุณหภูมิคิวรีของ BaTiO₃ อยู่ที่ประมาณ 120 °C.
วิธีการเตรียมผงแบเรียมไททาเนต
โดยทั่วไป วิธีการเตรียมผงแบเรียมไททาเนตสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ วิธีการในสถานะของแข็ง วิธีการไฮโดรเทอร์มอล และวิธีการโซล-เจล.
วิธีการสถานะของแข็ง
วิธีการสังเคราะห์แบบของแข็ง หรือที่รู้จักกันในชื่อการสังเคราะห์แบบของแข็งที่อุณหภูมิสูง เป็นวิธีการดั้งเดิมที่สุดสำหรับการเตรียมผงแบเรียมไททาเนต หลักการพื้นฐานเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ควบคุมโดยการแพร่ระหว่างวัตถุดิบของแข็งที่อุณหภูมิสูง.
โดยทั่วไป จะนำแบเรียมคาร์บอเนต (BaCO₃) และไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) มาผสมกันตามอัตราส่วนทางเคมีที่เหมาะสม จากนั้นจึงนำไปบดและอัดเป็นเม็ดหรือเผาที่อุณหภูมิสูง (โดยปกติ 1100–1300 °C) เป็นเวลาหลายชั่วโมง เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาในสถานะของแข็งและทำให้เกิดผง BaTiO₃ ปฏิกิริยาเป็นดังนี้:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂↑
วิธีการนี้มีอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ จึงได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม ผงที่ได้มักมีขนาดอนุภาคค่อนข้างใหญ่ (ระดับไมครอน) และมีแนวโน้มที่จะเกิดการจับตัวเป็นก้อนและการปนเปื้อนของสิ่งเจือปน.
• การประยุกต์ใช้เครื่องมือเจียร
- โรงงานลูกบอล: ใช้ในขั้นตอนการผสมเพื่อผสมวัตถุดิบให้สม่ำเสมอและลดปริมาณ ขนาดอนุภาค, จึงเป็นการเพิ่มพื้นที่สัมผัส.
- เครื่องบดลูกปัด: หลังจากผ่านกระบวนการเผาแล้ว แบเรียมไททาเนตมักจะจับตัวเป็นก้อนแข็ง เครื่องบดแบบลูกปัดแนวนอนจึงนิยมใช้สำหรับการบดอย่างละเอียดเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขนาดไมครอนหรือซับไมครอน.
• ข้อดีและข้อเสีย:
ต้นทุนต่ำและผลผลิตสูง แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดสิ่งเจือปนจากการสึกหรอและทำให้ได้ผงหยาบ.
วิธีไฮโดรเทอร์มอล
วิธีการไฮโดรเทอร์มอลเป็นเทคนิคการสังเคราะห์ในเฟสของเหลวที่ดำเนินการในสารละลายน้ำภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันสูง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมผงแบเรียมไททาเนตระดับนาโน.
ในกระบวนการนี้ เกลือแบเรียม (เช่น แบเรียมไฮดรอกไซด์) และเกลือไทเทเนียม (เช่น ไทเทเนียมคลอไรด์) จะถูกละลายในน้ำ โดยเติมสารช่วยเร่งปฏิกิริยา (เช่น NaOH) จากนั้นส่วนผสมจะถูกทำปฏิกิริยาในหม้ออัดความดันแบบไฮโดรเทอร์มอลที่อุณหภูมิ 150–250 °C ภายใต้ความดันสูงเป็นเวลาหลายชั่วโมง ซึ่งจะได้ผง BaTiO₃ ที่ตกผลึกได้ดีโดยตรง.
วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้การเผาที่อุณหภูมิสูง และช่วยให้สามารถควบคุมขนาดอนุภาคได้อย่างแม่นยำ (โดยทั่วไป 50–200 นาโนเมตร) โดยมีผลึกที่ดีและมีความบริสุทธิ์ของเฟสสูง (แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือแบบลูกบาศก์) นอกจากนี้ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องการอุปกรณ์ที่ซับซ้อนและการควบคุมสภาวะปฏิกิริยาอย่างเข้มงวด.
• การประยุกต์ใช้เครื่องมือเจียร
- การกระจายตัวของสารตั้งต้น: ก่อนการอบด้วยเครื่องออโตเคลฟ มักจะใช้เครื่องบดแบบสั่นหรือเครื่องบดแบบลูกบอลเพื่อให้แน่ใจว่าสารละลายกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ.
- การสลายตัวของกลุ่มเซลล์หลังการรักษา: แม้ว่าผงนาโนที่สังเคราะห์ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอลจะมีผลึกสูง แต่ก็อาจเกิดการรวมตัวกันอย่างอ่อนตัวได้ในระหว่างการอบแห้ง. โรงสีเจ็ท โดยทั่วไปจะใช้ในขั้นตอนนี้ ผ่านการชนกันของอนุภาคโดยไม่ต้องใช้ตัวกลางในการบด, การกัดด้วยเจ็ท สามารถสลายกลุ่มอนุภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของโลหะและรักษาคุณลักษณะระดับนาโนไว้ได้.
• ข้อดีและข้อเสีย:
มีความบริสุทธิ์สูงมากและมีขนาดอนุภาคระดับนาโน ทำให้เป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมสำหรับการผลิต MLCC ระดับไฮเอนด์.
วิธีโซล-เจล
วิธีโซล-เจลเป็นวิธีการสังเคราะห์ในเฟสของเหลวชนิดหนึ่งที่ช่วยให้สามารถเตรียมผงได้โดยควบคุมระดับโมเลกุล โดยใช้ไทเทเนียมอัลคอกไซด์ (เช่น เตตระบิวทิลไททาเนต) และเกลือแบเรียม (เช่น แบเรียมอะซิเตต) เป็นสารตั้งต้น ผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิสในตัวทำละลายอินทรีย์ จะเกิดเป็นโซล ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นเจลผ่านการระเหยหรือความร้อน หลังจากอบแห้งและเผาที่อุณหภูมิต่ำ (600–900 °C) จะได้ผง BaTiO₃.
วิธีการนี้ผลิตผงที่มีขนาดอนุภาคระดับนาโน มีความบริสุทธิ์สูง และมีองค์ประกอบที่สม่ำเสมอดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม วัตถุดิบมีราคาแพง และจำเป็นต้องควบคุมค่า pH และอุณหภูมิอย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงการตกตะกอนที่ไม่สม่ำเสมอ.
• การประยุกต์ใช้เครื่องมือเจียร
- ดาวเคราะห์ โรงงานลูกบอล: เจลแห้งที่ได้จากกระบวนการโซล-เจลนั้นเปราะมาก การบดแห้งหรือบดเปียกในระยะเวลาสั้นๆ ด้วยเครื่องบดลูกบอลแบบดาวเคราะห์มักใช้เพื่อให้ได้ผงนาโนที่มีขนาดสม่ำเสมอ.
• ข้อดีและข้อเสีย:
วิธีนี้ให้ความสม่ำเสมอขององค์ประกอบที่ดีที่สุด แต่เนื่องจากต้นทุนวัตถุดิบสูง ความเป็นพิษของตัวทำละลาย การจับตัวเป็นก้อนอย่างรวดเร็วระหว่างการอบด้วยความร้อน และข้อกำหนดการควบคุมกระบวนการที่เข้มงวด จึงทำให้ยากต่อการนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรม และปัจจุบันส่วนใหญ่จำกัดอยู่เฉพาะการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการใช้งานฟิล์มบางเฉพาะทางเท่านั้น.
บทสรุป
วิธีการเตรียมผงแบเรียมไททาเนตหลัก 3 วิธี ได้แก่ วิธีของแข็ง วิธีโซลเจล และวิธีไฮโดรเทอร์มอล แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน วิธีของแข็งเหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก แต่จะได้ผงที่มีขนาดค่อนข้างหยาบ ในทางตรงกันข้าม วิธีโซลเจลและวิธีไฮโดรเทอร์มอลสามารถผลิตผงระดับนาโนได้ และเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ระดับสูง.
อุปกรณ์บดมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในวิธีการเหล่านี้ทั้งหมด: เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผสมวัตถุดิบและการปรับขนาดอนุภาคในกระบวนการสังเคราะห์ของแข็ง และช่วยในการกระจายตัวหลังการบำบัดในกระบวนการเฟสของเหลว การปรับพารามิเตอร์การบดให้เหมาะสม เช่น วัสดุของตัวกลางในการบด ความเร็วรอบ และเวลาในการบด จะช่วยปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของผงแบเรียมไททาเนตได้อย่างมีนัยสำคัญ.
ในอนาคต ด้วยความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการบดและการกระจายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำอุปกรณ์บดระดับนาโนมาใช้ การเตรียมผงแบเรียมไททาเนตจะมีความมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยผลักดันนวัตกรรมในอุตสาหกรรมวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ต่อไป.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน