Bariumtitanaat is een belangrijk elektrokeramisch materiaal dat elk jaar in biljoenen condensatoren wordt gebruikt en in de meeste elektronica wordt aangetroffen. Onderzoekers van Penn State hebben het materiaal bij record lage temperaturen geproduceerd. en de ontdekking zou kunnen leiden tot meer energie-efficiënte productie.

Een team van Penn State-wetenschappers gebruikte het koude sinterproces om bariumtitanaatkeramiek te verdichten bij minder dan 572 graden Fahrenheit (300 graden Celsius), de laagste verwerkingstemperaturen ooit gebruikt, met behoud van de kwaliteit die wordt bereikt bij hogere temperaturen in moderne commerciële productie, aldus de onderzoekers.

"Ons werk is het eerste voorbeeld dat aantoont dat we ferro-elektrische oxiden in één stap kunnen verdichten, " zei Kosuke Tsuji, een promovendus bij de afdeling Materials Science and Engineering van Penn State en hoofdauteur van de studie. "Het zou de mogelijkheid moeten openen om veel meer anorganische materialen bij lage temperaturen te verdichten."

Het is de eerste keer dat onderzoekers bariumtitanaat in één stap hebben verdicht met koud sinteren. Eerdere pogingen vereisten secundaire verwarming om materialen te produceren met bruikbare diëlektrische eigenschappen, zeiden de wetenschappers, die hun bevindingen rapporteerden in de Journal of the European Ceramic Society.

Sinteren is een veelgebruikt proces om fijne poeders samen te persen tot een vaste materiaalmassa met behulp van warmte en druk. Het koude sinterproces, ontwikkeld door wetenschappers van Penn State, bereikt dit bij veel lagere temperaturen en in kortere tijden dan conventioneel sinteren. De opkomende technologie heeft het potentieel om de kosten en milieueffecten van de productie van een breed scala aan materialen te verminderen, volgens de onderzoekers.

De onderzoekers gebruikten nieuwe chemie om bariumtitanaat in één stap te verdichten. Koud sinteren omvat het toevoegen van een paar druppels vloeistof aan keramisch poeder. Reacties tussen vocht, warmte en druk creëren dichtere materialen in vergelijking met verwarming bij hogere temperaturen zonder vloeistof.

Eerder onderzoek naar koud sinteren gebruikte neutrale of zure oplossingen, maar de nieuwe studie bevatte hydroxide, een alkalisch materiaal. Het hydroxide hielp bij de productie van bariumtitanaat met de nodige diëlektrische eigenschappen bij lagere temperaturen, zeiden de wetenschappers.

Bariumtitanaat is de basisverbinding die wordt gebruikt om diëlektrische materialen met hoge permittiviteit te produceren in meerlagige condensatoren. Van de meer dan 3 biljoen keramische condensatoren die elk jaar worden geproduceerd, ongeveer 90 procent bevat bariumtitanaat.

"Deze apparaten ondersteunen de moderne elektronische wereld, " zei Randall, die ook dienst doet als directeur van het Materials Research Institute van Penn State. "De implicaties van het toepassen van deze technologie op bariumtitanaat zijn enorm. Alleen al in je mobiele telefoon, je hebt er misschien 1, 000 componenten die allemaal zijn gemaakt van bariumtitanaat. Het is alomtegenwoordig voor alle elektronica."

Het verlagen van de temperaturen die bij commerciële productie worden gebruikt, zou niet alleen energiezuiniger zijn, maar zou de deur kunnen openen naar het gebruik van minder dure metalen en het opnemen van polymeercomposieten in deze condensatoren. volgens de onderzoekers.

"Dit is zeer aantrekkelijk voor veel van de toonaangevende condensatorbedrijven, die allemaal met deze onderzoekers samenwerken via Penn State's Center for Dielectrics and Piezoelectrics (CDP), ' zei Randall.