Bariumtitanat är ett viktigt elektrokeramiskt material som används i biljoner kondensatorer varje år och som finns i de flesta elektronik. Penn State-forskare har producerat materialet vid rekordlåga temperaturer, och upptäckten kan leda till mer energieffektiv tillverkning.

Ett team av forskare från Penn State använde den kalla sintringsprocessen för att förtäta bariumtitanatkeramik vid mindre än 572 grader Fahrenheit (300 grader Celsius), de lägsta bearbetningstemperaturerna som någonsin använts, samtidigt som den kvalitet som uppnås vid högre temperaturer i modern kommersiell tillverkning bibehålls, sa forskarna.

"Vårt arbete är det första exemplet som visar att vi kan förtäta ferroelektriska oxider i ett enda steg, " sa Kosuke Tsuji, doktorand vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penn State och huvudförfattare till studien. "Det borde öppna upp möjligheten att förtäta många fler oorganiska material vid låga temperaturer."

Det är första gången forskare har förtätat bariumtitanat i ett enda steg med hjälp av kallsintring. Tidigare försök krävde sekundär uppvärmning för att producera material med användbara dielektriska egenskaper, sa forskarna, som rapporterade sina resultat i Journal of the European Ceramic Society.

Sintring är en vanlig process för att komprimera fina pulver till en fast materialmassa med hjälp av värme och tryck. Den kalla sintringsprocessen, utvecklad av Penn State-forskare, åstadkommer detta vid mycket lägre temperaturer och på kortare tider än konventionell sintring. Den framväxande tekniken har potential att minska kostnaderna och miljöpåverkan av tillverkning av ett brett utbud av material, enligt forskarna.

Forskarna använde ny kemi för att förtäta bariumtitanat i ett enda steg. Kallsintring innebär att tillsätta några droppar vätska till keramiskt pulver. Reaktioner mellan fukt, värme och tryck skapar tätare material jämfört med uppvärmning vid högre temperaturer utan vätska.

Tidigare forskning om kallsintring använde neutrala eller sura lösningar, men den nya studien inkluderade hydroxid, ett alkaliskt material. Hydroxiden hjälpte till att producera bariumtitanat med de nödvändiga dielektriska egenskaperna vid lägre temperaturer, sa forskarna.

Bariumtitanat är den grundläggande föreningen som används för att producera dielektriska material med hög permittivitet i flerskiktskondensatorer. Av de mer än 3 biljoner keramiska kondensatorer som produceras varje år, cirka 90 procent innehåller bariumtitanat.

"Dessa enheter stöder den moderna elektroniska världen, sa Randall, som också fungerar som chef för Penn State's Materials Research Institute. "Konsekvenserna av att tillämpa denna teknik på bariumtitanat är enorma. Bara i din mobiltelefon, du kanske har 1, 000 komponenter som alla är gjorda av bariumtitanat. Det är överallt för all elektronik."

Att sänka temperaturer som används i kommersiell tillverkning skulle inte bara vara mer energieffektivt utan skulle kunna öppna dörren för att använda billigare metaller och införliva polymerkompositer i dessa kondensatorer, enligt forskarna.

"Detta är mycket attraktivt för många av de ledande kondensatorföretagen, som alla arbetar med dessa forskare genom Penn State's Center for Dielectrics and Piezoelectrics (CDP), sa Randall.