破壁新生？看纳米钛酸钡如何“流延”出奇迹！

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导读：

在电子陶瓷领域，钛酸钡（BaTiO₃）因其独特的铁电、压电和介电性能，一直是多层陶瓷电容器（MLCC）等关键电子元件的核心材料。随着科技的飞速发展，对钛酸钡薄膜的制备技术提出了更高的要求，尤其是在高性能电子元件和新兴应用领域中。此前，我们已经探讨了钛酸钡薄膜的多种制备方法及其在不同应用场景中的优势与挑战，这些研究为高性能电子元件的发展奠定了基础。

然而，随着MLCC超薄介质的发展，对钛酸钡纳米粉体的分散性提出了新的挑战。纳米级钛酸钡粉体由于其过大的比表面积，具有更高的表面能，容易发生团聚行为，这不仅影响了浆料的分散性，还进一步影响了最终产品的性能。因此，如何提高纳米钛酸钡粉体的分散性，以获得分散性良好的浆料，成为了当前研究的热点和难点问题。

本文聚焦于纳米钛酸钡浆料的制备及其流延成型工艺，研究了不同球磨条件对粉体分散性的影响，并通过优化分散条件，成功获得了分散性良好的浆料。实验结果表明，通过提高粉体在溶剂中的分散性，不仅使流延所得生坯具有良好的均匀性和流延适应性，而且经烧结后的钛酸钡陶瓷介电常数达到了6311，比商用亚微米级钛酸钡粉体所得陶瓷的介电常数提高了35%。这一成果为后续100nm钛酸钡粉体工业化制备MLCC提供了重要参考，也为高性能小型化MLCC的发展开辟了新的道路。

研究方法：球磨法优化分散性

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材料制备

研究团队采用水热法制备的高纯度平均粒径为100nm的四方相钛酸钡粉体作为原料。无水乙醇与甲苯混合作为二元溶剂，加入分散剂，通过行星球磨机进行球磨处理。球磨分为两个阶段：第一阶段主要通过球磨打开纳米粉体间的软团聚，球料比为2:1，转速为250r/min；第二阶段加入粘结剂和除泡剂二甲基有机硅油，进一步优化浆料的分散性和均匀性。

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钛酸钡的制

1、流延成型

流延成型是将优化后的浆料通过流延机加工成膜的过程。实验中，流延速度设置为0.3m/min，流延温度分别设置为45℃和50℃，以确保有机溶剂缓慢且充分挥发。通过流延成型，得到均匀的生坯薄片。

2、叠压与烧结

流延成型后的生坯薄片在60℃、14MPa的压力下进行叠压，以提高生坯的致密性。随后，将叠压后的生坯进行烧结处理。烧结过程是制备高性能陶瓷的关键步骤，通过高温烧结，粉体颗粒之间的结合力增强，形成致密的陶瓷结构。最终烧结得到的钛酸钡陶瓷表面致密，晶粒均匀，平均晶粒尺寸约为1μm。

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试剂与仪器

实验中使用的试剂包括无水乙醇、甲苯、分散剂、粘结剂和除泡剂二甲基有机硅油。通过流变仪对浆料进行黏度表征，采用粒度分析仪对分散球磨所得粉体进行粒度分布表征，BET比表面积分析仪对粉体进行比表面积表征，扫描电子显微镜（SEM）对分散粉体及流延所得膜带进行形貌表征，LCR分析仪对所得陶瓷进行介电性能表征。

实验结果：从浆料到高性能陶瓷

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球磨时间对分散性的影响

实验中，研究团队详细研究了球磨时间对纳米钛酸钡粉体分散性的影响。

上图展示了不同球磨时间下的粒径分布情况。结果显示，纳米粉体在球磨初期粒径变化较小，随着球磨时间的增加，粉体颗粒间的软团聚逐渐被打开，粒径逐渐减小，粒度分布峰在6小时时达到最小值，此时D50为0.0986μm，约为100nm，与粉体颗粒大小相吻合。然而，当球磨时间继续增加到8小时时，粉体颗粒的表面能减小，团聚现象再次增加，粒径也随之增大。

上图展示了不同球磨时间下的SEM图像。可以看到，球磨3小时时，粉体颗粒虽仍有团聚存在，但粒度分布已开始下降；球磨6小时时，粉体分散性最好，颗粒分散程度最高；而球磨8小时时，颗粒团聚现象增加，粒径增大。因此，最佳球磨时间为6小时。

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分散剂含量对分散性的影响

纳米粉体的分散性不仅受球磨时间的影响，还与分散剂用量密切相关。

当分散剂用量为0.8%时，粉体的粒度分布最小，分散性最佳。此时，粉体颗粒的粒度分布D50为186nm，虽然比原始粒径略大，但这是由于分散剂分子包覆在粉体颗粒表面所致。当分散剂用量继续增加时，粒度分布峰快速右移，粒度增大，这是由于分散剂分子链相互缠绕，导致粉体颗粒团聚。

上图展示了不同分散剂用量下的沉降曲线和黏度变化。沉降曲线显示，当分散剂用量为0.8%时，悬浮液的稳定性最高，沉降高度最大。黏度测试结果表明，此时悬浮液的黏度也最高，进一步印证了粉体颗粒的分散性最佳。

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流延成型与陶瓷性能

利用优化后的浆料，研究团队通过流延成型工艺制备了钛酸钡陶瓷。

上图展示了流延所得生坯的外观和截面SEM图像。可以看到，流延所得膜带表面光滑平整且均匀，颗粒在生坯表面紧密均匀分布，粘结剂交织在分散颗粒中间，表明浆料具有良好的流延适应性。

最终烧结得到的钛酸钡陶瓷表现出优异的介电性能。下图展示了陶瓷的SEM图像和介电温谱。陶瓷表面致密，晶粒均匀，平均晶粒尺寸约为1μm。常温下，100nm钛酸钡粉体制备的陶瓷介电常数达到了6311，比商用400nm钛酸钡粉体制备的陶瓷介电常数提高了35%，而介电损耗仅为0.02。这一结果表明，通过优化纳米钛酸钡粉体的分散性，可以显著提升陶瓷的介电性能，为高性能MLCC的制备提供了重要参考。

结论与展望

通过研究优化球磨时间和分散剂用量，成功制备了分散性良好的纳米钛酸钡浆料，并通过流延成型工艺制备出了高性能的钛酸钡陶瓷。实验结果表明，优化后的浆料不仅具有良好的流延适应性，还显著提升了陶瓷的介电性能。这一成果不仅解决了纳米粉体分散性这一关键问题，还为纳米钛酸钡在超薄介质MLCC中的应用提供了重要的技术支持。未来，随着纳米材料制备技术的不断发展和优化，纳米钛酸钡有望在更多高性能电子元件中发挥重要作用，推动电子材料领域的进一步发展。