Полупроводниковая керамика на основе титаната бария

Полупроводниковая керамика на основе титаната бария

Полупроводниковая керамика на основе титаната бария может найти широкое применение как экологически чистый, надежный и дешевый материал для различных нагревателей с рабочим диапазоном от 100 до 200 °С.

Свойства BаTiO₃:

Химические связи в BаTiO₃ ионно-ковалентные, структура типа перовскита. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария (рис. 1).

Рисунок 1 – Структура ячейки титаната бария.

BаTiO₃ – диэлектрик с удельным электрическим сопротивлением около 10^Е10 Ом*см, однако его можно превратить в полупроводник с удельным сопротивлением 10^–10E3 Ом*см при помощи принудительного восстановления или управляя его валентностью. Полупроводники из титаната бария применяют для получения материалов с положительным температурным коэффициентом, полупроводниковых конденсаторов и нагревательных элементов.

Рисунок 2 – Зависимость сопротивления от температуры.

Для получения полупроводниковой керамики на основе титаната бария ее легируют. Ионы титана Ti⁴⁺ замещают на ионы Sb⁵⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺ бария Ва²⁺ на ионы La³⁺, Y³⁺, Gd³⁺ и другие. Концентрация допирующих элементов не должна превышать 0,3 ат.%.

Технология:

Титанат бария является искусственным материалом, традиционно, его синтезируют из диоксида титана и карбоната бария. Технология изготовления изделий двухстадийная, первая заключается в синтезе BаTiO₃ . Большое значение имеет соблюдение стехиометрического соотношения BaCO₃ : TiO₂ = 1. Нарушение стехиометрического состава влечет за собой ухудшение свойств материала. Твердофазный способ синтеза керамики на основе титаната бария достаточно трудоемок и требует повышенного внимания к качеству продукции на всех этапах производства полупроводникового титаната бария.

Перед синтезом тонкоизмельченные компоненты тщательно смешивают, прессуют в брикеты. Планетарные мельницы позволяют проводить смешивание компонентов и измельчение в одну стадию, значительно ускоряя процесс подготовки смеси к синтезу. Синтезируют титанат бария при температуре 1300-1350 °С в течении 1–2 часов. После дробления и тонкого помола порошок титаната бария готов к формованию конечных изделий.

В зависимости от способа формования конечных изделий из титаната бария используют различные органические связки, которые разлагаются во время отжига. При прессовании массу рекомендуется пластифицировать 3% раствором поливинилового спирта, при горячем литье изготавливают шликер, который содержит 8–10 % связки состоящей из парафина и олеиновой кислоты. Для экструзии керамики используется ПВА или раствор КМЦ. Температура обжига титаната бария синтезированного из технических видов сырья составляет 1320-1360 °С. Для получения керамики с полупроводниковыми свойствами – полученные изделия подвергаются дополнительному отжигу в вакууме или в восстановительной атмосфере при температуре около 1000 °С.