納米鈦酸鋇是電子陶瓷元器件行業(yè)的重要基礎(chǔ)原料，被譽(yù)為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”，也是電子陶瓷中使用最廣、用量的重要原料之一。

一、納米鈦酸鋇的特性 

鈦酸鋇又稱為偏鈦酸鋇，分子式BaTiO3，可溶于濃硫酸、鹽酸以及氫氟酸，熔點(diǎn)為1625°C，密度為6.08g/cm3，相對(duì)分子質(zhì)量為233.19。根據(jù)鋇鈦比不同有BaTiO3 、BaTi2O5、BaTi3O7、BaTi4O9等幾種化合物。鈦酸鋇常見的晶形有四方相、立方相、斜方相、四方相和六方相。最常見的是四方相晶體。

圖  鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu)

納米鈦酸鋇的優(yōu)良性能主要包括有高介電常數(shù)、低介電損耗、優(yōu)良的鐵電、壓電和絕緣性能等。

1、高介電常數(shù)

鈦酸鋇具有高介電常數(shù)、低介電損耗，已成為高頻元件中不可缺少的材料。同時(shí)強(qiáng)電性也被用于介質(zhì)放大、調(diào)頻和存貯設(shè)備。

2、壓電效應(yīng)

在電場(chǎng)或機(jī)械力作用下，可引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對(duì)位移而發(fā)生極化，因而引起表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電性。鈦酸鋇屬鈣鈦礦型，具有良好的壓電性。

3、鐵電效應(yīng)

鈦酸鋇晶體是一種具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)，在直流電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，當(dāng)立方相向四方相在居里相變溫度（120°C）下轉(zhuǎn)化后，晶體即具有電疇結(jié)構(gòu)和鐵電、壓電性。

圖  鈦酸鋇晶體自發(fā)極化與疇壁形成

4、正溫度系數(shù)效應(yīng)

在鐵電轉(zhuǎn)變溫度電附近，其電阻隨溫度的升高發(fā)生階躍變化。這種電阻率隨溫度升高而增大的性質(zhì)成為正溫度系數(shù)（PTC）效應(yīng)。PTC效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)、組成、雜質(zhì)、純度和制備工藝有直接關(guān)系。

鈦酸鋇雖有許多優(yōu)異的性能，但也存在一些缺陷，通過摻雜改性可改善性能。

二、納米鈦酸鋇的制備方法  

對(duì)于電子陶瓷材料而言，鈦酸鋇的純度、粒度、形貌等性能至關(guān)重要，且由于鈦酸鋇在電子陶瓷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其粉體制備一直受到人們的關(guān)注。目前鈦酸鋇的制備方法主要固相合成法、水熱法、溶膠凝膠法、草酸鹽共沉淀法、直接沉淀法等。

1、固相合成法

固相法是鈦酸鋇粉體的傳統(tǒng)制備方法，該工藝是將碳酸鋇和二氧化鈦原料等摩爾混合，并加入稀土改性材料，在1250~1300℃下煅燒，固相反應(yīng)，合成的鈦酸鋇冷卻后粉碎即得到鈦酸鋇粉體產(chǎn)品。

反應(yīng)式為：

BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2

優(yōu)點(diǎn)：工藝流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、原料易得，成本低廉、技術(shù)成熟

缺點(diǎn)：原料混合不均，成品粒度大，粒度分布不均勻，純度低，摻雜元素不均勻，性能不穩(wěn)定

2、水熱法

在密封的壓力容器中，以水為溶劑，在一定的溫度和水的自生壓力下，將含分散TiO2細(xì)粒子的Ba(OH)2水溶液進(jìn)行水熱處理，形成鈦酸鋇粉體。

反應(yīng)式為：

Ba(OH)2+TiO2→BaTiO3+H2O

優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品晶體發(fā)育完整，粒度小且分布均勻，顆粒之間少團(tuán)聚，顆度可控；原料較便宜，生產(chǎn)成本低；無需高溫煅燒，避免了其中晶粒團(tuán)聚和容易混入雜質(zhì)的問題

缺點(diǎn)：溫度和壓力等反應(yīng)條件苛刻，對(duì)設(shè)備要求高，技術(shù)水平要求較高，產(chǎn)業(yè)化困難較大

3、溶膠-凝膠法

將易水解的金屬醇鹽或無機(jī)鹽在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解、縮聚而逐漸凝膠化，經(jīng)干燥和后處理得到鈦酸鋇粉體。

反應(yīng)式：

Ba(OR)2+Ti(OR)4+3H2O→BaTiO3+6ROH

優(yōu)點(diǎn)：粉體化學(xué)均勻性好、純度高、粒度小、粒度分布窄，化學(xué)活性強(qiáng)

缺點(diǎn)：原料成本較高、且有機(jī)溶劑有毒性，工藝條件不易控制，粉體易團(tuán)聚，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化

4、草酸鹽共沉淀法

將TiCl4和BaCl2的混合溶液在適宜溫度下加入到草酸溶液中，并加入表面活性劑，控制反應(yīng)條件得到前驅(qū)體草酸氧鈦鋇沉淀，經(jīng)過濾、洗滌、干燥和煅燒，制得鈦酸鋇粉體。

反應(yīng)式：

優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品純度高、粒度小，粒徑分布窄，活性高，化學(xué)組成均勻，操作方便

缺點(diǎn)：成本較高、粉體團(tuán)聚較嚴(yán)重，鈦鋇比難控制，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，技術(shù)壁壘較高

5、直接沉淀法

在混合的金屬鹽溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯?，僅通過沉淀操作從溶液中直接得到納米顆粒沉淀物，沉淀物干燥或煅燒即可得到鈦酸鋇粉體。

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，在常壓條件下進(jìn)行，不需高溫，反應(yīng)條件溫和，易控制，原料成本低

缺點(diǎn)：易引入TiO2、BaCO3等雜質(zhì)，粒度分布寬、需進(jìn)行后處理

三、納米鈦酸鋇的應(yīng)用 

由于鈦酸鋇具有鐵電、壓電、正溫度系數(shù)效應(yīng)等優(yōu)異的電學(xué)性能，使其成為電子工業(yè)和陶瓷工業(yè)中的關(guān)鍵材料，主要用于制造多層陶瓷電容器（MLCC）、單板陶瓷電容器、熱敏電阻、壓電陶瓷、微波陶瓷等電子元器件。

1、MLCC

MLCC 是用量、發(fā)展最快的片式電子元件品種之一，已被廣泛應(yīng)用于通訊、計(jì)算機(jī)及外圍產(chǎn)品、消費(fèi)類電子、汽車電子和其他信息電子領(lǐng)域，在電子線路中起到振蕩、耦合、旁路和濾波等作用。而介質(zhì)材料是MLCC中重要的組成部分，介質(zhì)材料鈦酸鋇因其具有介電常數(shù)高、介電損耗小以及良好的鐵電和絕緣性能被廣泛用于制備MLCC。

圖  MLCC

2、微波介質(zhì)陶瓷

微波介質(zhì)陶瓷是一種新型電子材料，在通訊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可被用作介質(zhì)濾波器、 諧振器、基板、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等。鈦酸鋇介電性能隨TiO2的含量變化而改變，BaTi4O9、Ba2Ti9O20陶瓷具有優(yōu)異的微波介電性能。Ba2Ti9O20作為常用的微波介質(zhì)材料已被廣泛應(yīng)用于微波介質(zhì)諧振器。

圖   介質(zhì)諧振器

3、PTC熱敏電阻器

鈦酸鋇由于優(yōu)異的正溫度系數(shù)效應(yīng)被用于制備熱敏性陶瓷元件。PTC熱敏電阻是一種阻值會(huì)隨溫度的升高而變大的器件， 可實(shí)現(xiàn)如溫度檢測(cè)，電路限流等應(yīng)用，被廣泛用于程控電話保安器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器、彩電的自動(dòng)消磁器、電冰箱壓縮機(jī)的啟動(dòng)器、溫度傳感器、熱保護(hù)器等。

4、壓電陶瓷

鈦酸鋇是發(fā)現(xiàn)最早的無鉛壓電陶瓷，可用于各種能量轉(zhuǎn)換、聲音轉(zhuǎn)換、信號(hào)轉(zhuǎn)換和基于壓電等效回路的震蕩、微波和傳感器件。但由于制備的鈦酸鋇基陶瓷材料的壓電性能較低，目前應(yīng)用實(shí)例并不多。但隨著對(duì)無鉛化要求的日益增強(qiáng)，鈦酸鋇基陶瓷作為一類很有希望替代PZT的無鉛壓電材料又重新受到重視。

5、LTCC

鈦酸鋇燒結(jié)溫度高，一般在1300°C以上，有研究以鈦酸鋇陶瓷為基礎(chǔ)，摻雜玻璃，實(shí)現(xiàn)鈦酸鋇陶瓷的低溫快速燒結(jié)，但其微波介電性能有所下降。

鈦酸鋇粉體的國(guó)外企業(yè)有：日本堺化學(xué)、日本化學(xué)工業(yè)、日本富士鈦、美國(guó)Ferro、日本共立材料等

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有：山東國(guó)瓷、中星電子、臺(tái)灣信昌、福建貝思科、安徽中創(chuàng)電子、湖北天瓷、風(fēng)華高科、無錫隆傲、安徽壹石通、上海典揚(yáng)、立之億等

為了進(jìn)一步加強(qiáng)交流，艾邦建有LTCC交流群，誠(chéng)邀LTCC生產(chǎn)企業(yè)、設(shè)備、材料企業(yè)參與。目前群友包括：風(fēng)華高科、順絡(luò)電子、中國(guó)電科二所、麥捷微、宏達(dá)電子、佳利電子等加入。