تطبيق محلل حجم جسيمات الليزر في اكتشاف حجم جسيمات تيتانات الباريوم (1))

1. تيتانات الباريوم وتطوير صناعته

   تيتانات الباريوم عبارة عن مادة مركبة عازلة قوية ذات ثبات عازل عالي وخسارة عازلة منخفضة. إنها واحدة من أكثر المواد المستخدمة على نطاق واسع في صناعة السيراميك الإلكتروني وتُعرف باسم "العمود الفقري لصناعة السيراميك الإلكتروني".

تيتانات الباريوم، المعروف أيضًا باسم حمض الباريوم ميتاسيد، قابل للذوبان في حمض الكبريتيك المركز وحمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروفلوريك، ولكنه غير قابل للذوبان في حمض النيتريك المخفف الساخن والماء والقلويات. لدى تيتانات الباريوم حاليًا خمسة أشكال، وهي: الشكل البلوري المربع، والشكل البلوري المكعب، والشكل البلوري الكوكوبيني، والشكل البلوري الثلاثي، والشكل البلوري السداسي. الأكثر شيوعًا هو الشكل البلوري المربع. في إنتاج السيراميك الكهروضوئي، تعتبر المرحلة البلورية السداسية مرحلة يجب تجنبها. في الواقع، لن تظهر المرحلة البلورية السداسية إلا عندما تكون درجة حرارة الإشعال مرتفعة جدًا.

تيتانات الباريوم هي المادة الخام الرئيسية لتحضير العديد من المواد العازلة والكهرضغطية مثل المكثفات الخزفية والثرمستورات. في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع لصناعة السيراميك والصناعة الإلكترونية، سيستمر الطلب على BaTiO3 في الزيادة، وسيستمر الطلب على BaTiO3 في الزيادة. متطلبات الجودة تزداد أيضًا. يعد تحضير مواد مسحوقية عالية النقاء وفائقة الدقة الطريقة الرئيسية لتحسين أداء المواد الخزفية الإلكترونية. ولذلك، فإن البحث عن تحضير تيتانات الباريوم عالية النقاء والموحدة وفائقة الدقة وحتى النانومترية كان دائمًا محور بحث العلماء من مختلف البلدان.

تيتانات الباريوم هي المادة الأم الأساسية لمكونات السيراميك الإلكترونية وتسمى العمود الفقري للسيراميك الإلكتروني. نظرًا لخصائصها الكهروضوئية الجيدة والجهد المنخفض ومقاومتها للجهد والعزل، فإنها تستخدم على نطاق واسع في إنتاج المكثفات عالية السعة والركائز متعددة الطبقات وأجهزة الاستشعار المختلفة ومواد أشباه الموصلات والمكونات عالية الحساسية. مع التطور السريع للمكونات الإلكترونية نحو التكامل العالي والدقة العالية والموثوقية العالية والوظائف المتعددة والتصغير، تم طرح متطلبات أعلى لإعداد مواد تيتانات الباريوم التي تلبي متطلبات الأداء. أصبح تحضير وبحث تيتانات الباريوم النانومترية نقطة بحث ساخنة.

لقد كان البحث التحضيري لمسحوق تيتانات الباريوم النانومتري دائمًا نقطة ساخنة في مجال العلوم والتكنولوجيا. تم تطوير تقنيات التحضير المختلفة بشكل كبير. مع التركيز المتزايد على السيراميك الإلكتروني تيتانات الباريوم، فإن الحجم والتوحيد والمتطلبات لمختلف الجوانب مثل النقاء والتشابه في الخواص الكيميائية للمنتج النهائي أصبحت أيضًا أعلى وأعلى. لذلك، من الضروري إجراء بحث متعمق حول آلية عملية تصنيع مسحوق تيتانات الباريوم، والتحكم في الشكل والحجم والأداء والتقنيات الأخرى للجسيمات. وينبغي مناقشة العلاقة بينهما بمزيد من التعمق؛ النتائج الحالية هي في الغالب في مرحلة الإنتاج المختبري والصغير الحجم، وينبغي دراسة القضايا المتعلقة بالإنتاج على نطاق واسع؛ يحتاج جهاز تخليق جسيمات تيتانات الباريوم النانوي المستخدم حاليًا إلى التحسين، وعلى وجه الخصوص، هناك حاجة لتطوير معدات صناعية ذات إنتاجية عالية وإنتاجية عالية وجودة عالية وتكلفة منخفضة. استنادًا إلى تحسين طرق التحضير، وتوسيع وتعميق طرق البحث، والتعاون الوثيق بين علوم المواد والفيزياء والهندسة الكيميائية وغيرها من التخصصات، يُعتقد أن تيتانات الباريوم النانوية ستظهر آفاقًا واسعة وجذابة في صناعة الإلكترونيات وصناعة السيراميك.

2. تحضير تيتانات الباريوم نانومتر

تيتانات الباريوم عبارة عن مادة خزفية كلاسيكية متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف وكهرضغطية. بسبب ثابت العزل الكهربائي العالي، الكهروضوئي الجيد، الكهرضغطية، مقاومة الجهد وخصائص العزل، فهو يستخدم بشكل أساسي لصنع مكثفات عالية السعة، ركائز متعددة الطبقات، أجهزة استشعار مختلفة، مواد أشباه الموصلات والمكونات الحساسة. مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة والتصغير والتكامل العالي للمكونات الإلكترونية، من الضروري إعداد وتوليف مسحوق سيراميك عالي الجودة قائم على تيتانات الباريوم يلبي متطلبات التطوير. ولذلك، فإن البحث في تحضير تيتانات الباريوم عالية النقاء والموحدة والمتناهية الصغر وحتى النانومترية كان دائمًا محور بحث العلماء من مختلف البلدان. واستنادا إلى تحسين طرق التحضير وتوسيع وتعميق أساليب البحث، دخل تحضير تيتانات الباريوم النانوي أيضا مرحلة جديدة.

منذ اكتشاف الطاقة الكهروضوئية لتيتانات الباريوم في أربعينيات القرن التاسع عشر، بدأت العديد من البلدان في دراسة تخليق وتحضير تيتانات الباريوم. تتحكم طريقة الطور السائل بشكل فعال في البنية المجهرية وخصائص المسحوق أثناء عملية إنتاج تيتانات الباريوم باستخدام الطرق الفيزيائية والكيميائية. منذ الثمانينيات، أصبحت طريقة الطور السائل تدريجيًا طريقة تحظى بتقدير عام من قبل مختلف البلدان، وتطورت تدريجيًا إلى أهم ثلاث طرق. : طريقة الترسيب، طريقة السول جل، الطريقة الحرارية المائية.

    تتميز طريقة الترسيب بمزايا الطريقة البسيطة، وانخفاض تكلفة المواد، وانخفاض الاستثمار في المعدات. يمكن إضافة عناصر المنشطات أثناء الإنتاج لإنتاج تركيبة معينة من المواد الخام المسحوقية مباشرة، وهي الأكثر ملاءمة لتصنيع مكونات السيراميك. طريقة الترسيب هي طريقة مستخدمة على نطاق واسع للإنتاج الصناعي لمسحوق تيتانات الباريوم، وهي أيضًا أول طريقة للإنتاج التجاري. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لديها أيضا بعض العيوب. على سبيل المثال، من الصعب الحصول على مساحيق نانوية ذات أحجام جسيمات صغيرة جدًا. من السهل تكتل الجسيمات ولها توزيع واسع لحجم الجسيمات، الأمر الذي يتطلب معالجة معينة بعد المعالجة. يتغير المسحوق المركب قليلاً مع ظروف التفاعل والتيتانيوم والباريوم. التقلب المحدد كبير وجودة المنتج غير مستقرة.

نظرًا لظروف التفاعل الخاصة، فإن المسحوق المحضر بالطريقة الحرارية المائية يتمتع بمزايا حجم الجسيمات الصغيرة، والتوزيع الموحد، والتكتل الأقل، كما أن مواده الخام أسهل في الحصول على منتجات تلبي النسبة المتكافئة ولها شكل بلوري كامل؛ في الوقت نفسه، لا يتطلب المسحوق درجة حرارة عالية. معالجة التكليس تتجنب نمو الحبوب، وتشكيل العيوب وإدخال المجلات، ولها نشاط تلبيد أعلى. ومع ذلك، إما أن BaTiO3 الذي تم تصنيعه في هذه الأعمال لديه بنية طور مكعب متبدل الاستقرار بدلاً من طور رباعي الزوايا، والذي لا يمكنه تلبية احتياجات أداء المكونات الإلكترونية؛ أو أن تسخين المياه يتطلب درجات حرارة عالية وأوقات طويلة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعدات؛ أو تسخين المياه يتطلب التوليف الحراري استخدام التيتانيوم العضوي كمواد خام، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعدات، أو يتطلب التوليف الحراري المائي استخدام التيتانيوم العضوي كمواد خام، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج. هذه الأسباب تجعل من المستحيل تحقيق إنتاج واسع النطاق للتوليف الحراري المائي للمسحوق النانوي BaTiO3 ذو الطور الرباعي. وفي الوقت نفسه، تحتوي الطريقة الحرارية المائية على شوائب في المسحوق، مما يحد أيضًا من تطبيق هذه الطريقة.

     غالبًا ما تستخدم طريقة sol-gel تقنية التقطير أو إعادة البلورة لضمان نقاء المواد الخام. لا يتم إدخال أي جزيئات شوائب أثناء العملية، والمسحوق الناتج له حجم جسيمات صغير، ونقاء عالي، وتوزيع ضيق لحجم الجسيمات. ومع ذلك، فإن المواد الخام باهظة الثمن، والمذيبات العضوية سامة، والمعالجة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية ستتسبب في تكتل المسحوق بسرعة. دورة التفاعل طويلة، ومن الصعب التحكم في ظروف العملية، والإنتاج صغير، ومن الصعب التوسع والتصنيع. .