钛酸钡的性能与应用

发布日期:2022/9/9 15:29:11

钛酸钡（BaTiO3）是电子陶瓷元器件行业的重要基础原料，由于具有很高的介电常数、优异的铁电和压电性能、且还具备耐压及绝缘性能，普遍应用于多层陶瓷电容器（MLCC）、热敏电阻（PTC）、光电器件以及各种随机存储器等电子元器件中，被誉为“电子陶瓷工业的支柱”，也是电子陶瓷中使用最广、用量的重要原料之一。

高性能钛酸钡的性能特点

近年来，随着电子信息产业的飞速发展对电子设备、家用电器、交通设备的要求越来越高，电子元器件向小型化、智能化和精密化发展。因此对钛酸钡也提出了更高的要求，晶粒更细、活性更好、稳定性更高的四方相钛酸钡粉体被产业广泛需求，并开始应用于电子元器件。

BaTiO3晶体结构示意图

钛酸钡（BaTiO3）作为一种典型的ABO3型功能材料，主要有立方相（顺电相）和四方相（铁电相）两种晶型。立方相钛酸钡的结构是高度对称的，表现出顺电性，是一种各向同性电介质，而四方相钛酸钡由于四方结构的自发极化现象，使得它具有显著的铁电、压电、热电性能和能量采集性能，在陶瓷工业领域被广泛用于多种电子器件中，如多层陶瓷电容器、动态随机存储器、热敏电阻等。

此外，当钛酸钡的粒径达到纳米级时，还具有独特的光致发光性和光催化活性，可用于有机污染物降解，这些光学特性也都源于纳米级的四方结构。

纳米钛酸钡粉体

特别重要的是，纳米尺寸的四方相钛酸钡的上述性能和应用均与纳米粒子的粒径密切相关，体现出明显的粒度效应，有研究者发现，随纳米BaTiO3粒径减小，其介电常数、居里温度、介电损耗都随之减小；纳米BaTiO3的抗弯刚性随粒径减小而增强；BaTiO3的光致发光性受粒径影响。

因此，根据不同用途和要求，制备所需粒径范围的四方相纳米BaTiO3就显得尤为重要。

钛酸钡粉体的制备方法

对于电子陶瓷材料而言，钛酸钡的纯度、粒度、形貌等性能至关重要，且由于钛酸钡在电子陶瓷领域的广泛应用，其粉体制备一直受到人们的关注。目前钛酸钡的制备方法主要固相合成法、水热法、溶胶凝胶法、草酸盐共沉淀法、直接沉淀法等。

① 固相合成法

固相法是将碳酸钡和二氧化钛原料等摩尔混合，并加入稀土改性材料，在1250~1300℃下煅烧，固相反应，合成的钛酸钡冷却后粉碎即得到钛酸钡粉体产品。传统固相法，工艺简单，对设备要求不高，成本低，但产物粒径粗大，团聚现象严重。

纳米级BaCO3和TiO2高温煅烧合成的钛酸钡粉体TEM图

尽管传统的固相合成法有很多缺点，但由于固相合成的钛酸钡表面缺陷少，且为100%四方相，因此日本等先进钛酸钡制造厂家均采用固相合成生产钛酸钡。

② 水热法

在密封的压力容器中，以水为溶剂，在一定的温度和水的自生压力下，将含分散TiO2细粒子的Ba(OH)2水溶液进行水热处理，形成钛酸钡粉体。水热法制得的钛酸钡晶体发育完整，粒度小且分布均匀，颗粒之间少团聚，颗度可控；原料较便宜，生产成本低；无需高温煅烧，避免了其中晶粒团聚和容易混入杂质的问题。但水热法对温度和压力等反应条件苛刻，对设备要求高，技术水平要求较高，产业化困难较大。

③ 溶胶-凝胶法

将易水解的金属醇盐或无机盐在某种溶剂中与水发生反应，经水解、缩聚而逐渐凝胶化，经干燥和后处理得到钛酸钡粉体。溶胶-凝胶法制得的钛酸钡粉体化学均匀性好、纯度高、粒度小、粒度分布窄，化学活性强。但原料成本较高、且有机溶剂有毒性，工艺条件不易控制，粉体易团聚，难以实现大规模工业化。

高性能钛酸钡的应用

由于钛酸钡具有铁电、压电、正温度系数效应等优异的电学性能，使其成为电子工业和陶瓷工业中的关键材料，主要用于制造多层陶瓷电容器（MLCC）、单板陶瓷电容器、热敏电阻、压电陶瓷、微波陶瓷等电子元器件。

① MLCC

MLCC是用量、发展最快的片式电子元件品种之一，已被广泛应用于通讯、计算机及外围产品、消费类电子、汽车电子和其他信息电子领域，在电子线路中起到振荡、耦合、旁路和滤波等作用。而介质材料是MLCC中重要的组成部分，介质材料钛酸钡因其具有介电常数高、介电损耗小以及良好的铁电和绝缘性能被广泛用于制备MLCC。