Penn State University / MLCCs Bariumtitanat bei nur +300 °C gesintert

Unter dem Mikroskop ist die dichte Mikrostruktur von Bariumtitanat gut zu erkennen.
Unter dem Mikroskop ist die dichte Mikrostruktur von Bariumtitanat gut zu erkennen.

Von den drei Billionen Keramikkondensatoren, die jedes Jahr produziert werden, enthalten etwa 90 Prozent Bariumtitanat. Forscher der Penn State University haben dieses Material nun bei extrem niedrigen Temperaturen gesintert. Dies ist nicht nur energiesparender, sondern hat noch andere Vorteile.

Jedes Mobiltelefon enthält etwa tausend Komponenten aus Bariumtitanat. Diese Keramik ist das Grundmaterial, um Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante für keramische Vielschichtkondensatoren (MLCCs) herzustellen.

Ein Team von Wissenschaftlern der Penn State University um Clive Randall, Professor für Materialwissenschaften und -technik, nutzte einen Kaltsinterprozess, um Bariumtitanat-Keramik bei weniger als +300 °C zu verdichten. Dies ist die niedrigste Verarbeitungstemperatur, von der jemals berichtet wurde. Gleichzeitig blieb die Qualität erhalten, wie sie bei höheren Temperaturen bei der heutigen industriellen Fertigung erreicht wird, so die Forscher.

Sintern ist ein häufig verwendetes Verfahren, bei dem feine Pulver unter Temperatur und Druck zu einem Festkörper verpresst werden. Das neue Kaltsinterverfahren erreicht dies bei viel niedrigeren Temperaturen und in kürzerer Zeit als herkömmliches Sintern. Dies könnte nach Ansicht der Forscher die Kosten und die Folgen für die Umwelt reduzieren, die mit der Herstellung einer breiten Palette von Materialien verbunden sind.

»Unsere Arbeit ist ein erstes Beispiel dafür, dass sich ferroelektrische Oxide in einem einzigen Schritt verdichten lassen«, bemerkte der Doktorand Kosuke Tsuji, der Hauptautor der Studie. »Dies könnte bedeuten, dass sich viele weitere anorganische Materialien auch bei niedrigen Temperaturen verdichten ließen.« Außerdem benötigten die Forscher nur einen einzigen Prozessschritt. Frühere Versuche erforderten eine nachträgliche Erwärmung, um Materialien mit nützlichen dielektrischen Eigenschaften herzustellen, so die Wissenschaftler.

Sintern in nur einem Schritt

Um Bariumtitanat in einem einzigen Schritt zu verdichten, nutzten die Forscher neue chemische Verfahren. Beim Kaltsintern werden dem Keramikpulver einige Tropfen Flüssigkeit zugegeben. Durch Reaktionen unter Einfluss von Feuchtigkeit, Temperatur und Druck entstehen dichtere Materialien im Vergleich zur Erwärmung bei höheren Temperaturen ohne die Zugabe von Flüssigkeit. 

In früheren Untersuchungen zum Kaltsintern wurden neutrale oder saure Lösungen benutzt, in dieser neuen Studie dagegen ein Hydroxid, eine alkalische Substanz. Dieses half dabei, Bariumtitanat mit den notwendigen dielektrischen Eigenschaften auch bei niedrigeren Temperaturen herzustellen, so die Wissenschaftler. 

»Diese Untersuchung belegt, dass sich Werkstoffe, die sich bislang nur schwer sintern ließen, nun auch verarbeiten lassen«, erläuterte Clive Randall. »Damit scheint der Traum näher zu rücken, dass wir schließlich die richtige chemische Zusammensetzung finden, um alle keramischen und vielleicht sogar metallischen Werkstoffe kalt sintern zu können.« Niedrigere Temperaturen in der Fertigung wären nicht nur energiesparender, sondern könnten auch den Weg ebnen, kostengünstigere Metalle zu verwenden und polymere Verbundwerkstoffe in diese Kondensatoren zu integrieren, so die Forscher.

Originalpublikation

Kosuke Tsuji, et al., Single step densification of high permittivity BaTiO3 ceramics at 300 °C, Journal of the European Ceramic Society, Volume 40, Issue 4, 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.12.022.