Kold sintring producerer kondensatormateriale ved rekordlave temperaturer

Bariumtitanat er et vigtigt elektrokeramisk materiale, der bruges i billioner af kondensatorer hvert år og findes i det meste elektronik. Penn State-forskere har produceret materialet ved rekordlave temperaturer, og opdagelsen kan føre til mere energieffektiv fremstilling.

Et hold af Penn State-forskere brugte den kolde sintringsproces til at fortætte bariumtitanat-keramik ved mindre end 572 grader Fahrenheit (300 grader Celsius), de laveste forarbejdningstemperaturer, der nogensinde er brugt, samtidig med at den kvalitet, der opnås ved højere temperaturer i moderne kommerciel fremstilling, opretholdes, sagde forskerne.

"Vores arbejde er det første eksempel, der viser, at vi kan fortætte ferroelektriske oxider i et enkelt trin, " sagde Kosuke Tsuji, en ph.d.-kandidat i Department of Materials Science and Engineering i Penn State og hovedforfatter af undersøgelsen. "Det burde åbne mulighed for at fortætte mange flere uorganiske materialer ved lave temperaturer."

Det er første gang, at forskere har fortættet bariumtitanat i et enkelt trin ved hjælp af kold sintring. Tidligere forsøg krævede sekundær opvarmning for at fremstille materialer med nyttige dielektriske egenskaber, sagde forskerne, som rapporterede deres resultater i Journal of the European Ceramic Society.

Sintring er en almindeligt anvendt proces til at komprimere fint pulver til en fast masse af materiale ved hjælp af varme og tryk. Den kolde sintringsproces, udviklet af Penn State videnskabsmænd, opnår dette ved meget lavere temperaturer og på kortere tid end konventionel sintring. Den nye teknologi rummer potentialet til at reducere omkostningerne og miljøpåvirkningerne ved fremstilling af en bred vifte af materialer, ifølge forskerne.

Forskerne brugte nye kemier til at fortætte bariumtitanat i et enkelt trin. Kold sintring involverer at tilføje et par dråber væske til keramisk pulver. Reaktioner mellem fugt, varme og tryk skaber tættere materialer sammenlignet med opvarmning ved højere temperaturer uden væske.

Tidligere koldsintringsforskning brugte neutrale eller sure opløsninger, men den nye undersøgelse inkorporerede hydroxid, et alkalisk materiale. Hydroxidet hjalp med at producere bariumtitanat med de nødvendige dielektriske egenskaber ved lavere temperaturer, sagde forskerne.

Bariumtitanat er den grundlæggende forbindelse, der bruges til at fremstille dielektriske materialer med høj permittivitet i flerlagskondensatorer. Af de mere end 3 billioner keramiske kondensatorer, der produceres hvert år, omkring 90 procent indeholder bariumtitanat.

"Disse enheder understøtter den moderne elektroniske verden, sagde Randall, der også fungerer som direktør for Penn State's Materials Research Institute. "Konsekvenserne af at anvende denne teknologi på bariumtitanat er enorme. Alene i din mobiltelefon, du kan have 1, 000 komponenter, der alle er lavet af bariumtitanat. Det er allestedsnærværende for al elektronik."

Sænkning af temperaturer, der bruges i kommerciel fremstilling, ville ikke kun være mere energieffektivt, men kunne åbne døren for at bruge billigere metaller og inkorporere polymerkompositter i disse kondensatorer, ifølge forskerne.

"Dette er meget attraktivt for mange af de førende kondensatorvirksomheder, som alle arbejder med disse forskere gennem Penn State's Center for Dielectrics and Piezoelectrics (CDP), " sagde Randall.