Le titanate de baryum est un matériau électrocéramique important utilisé dans des milliards de condensateurs chaque année et présent dans la plupart des appareils électroniques. Les chercheurs de Penn State ont produit le matériau à des températures record, et la découverte pourrait conduire à une fabrication plus économe en énergie.

Une équipe de scientifiques de Penn State a utilisé le processus de frittage à froid pour densifier les céramiques de titanate de baryum à moins de 572 degrés Fahrenheit (300 degrés Celsius), les températures de traitement les plus basses jamais utilisées, tout en maintenant la qualité obtenue à des températures plus élevées dans la fabrication commerciale moderne, les chercheurs ont dit.

"Notre travail est le premier exemple montrant que nous pouvons densifier des oxydes ferroélectriques en une seule étape, " dit Kosuke Tsuji, doctorant au Département de science et génie des matériaux de Penn State et auteur principal de l'étude. "Cela devrait ouvrir la possibilité de densifier beaucoup plus de matériaux inorganiques à basse température."

C'est la première fois que des chercheurs ont densifié le titanate de baryum en une seule étape par frittage à froid. Les tentatives précédentes nécessitaient un chauffage secondaire pour produire des matériaux avec des propriétés diélectriques utiles, disaient les scientifiques, qui ont rapporté leurs découvertes dans le Journal of the European Ceramic Society.

Le frittage est un procédé couramment utilisé pour compresser des poudres fines en une masse solide de matériau en utilisant la chaleur et la pression. Le processus de frittage à froid, développé par les scientifiques de Penn State, accomplit cela à des températures beaucoup plus basses et en des temps plus courts que le frittage conventionnel. La technologie émergente a le potentiel de réduire les coûts et les impacts environnementaux de la fabrication d'une large gamme de matériaux, selon les chercheurs.

Les chercheurs ont utilisé de nouvelles chimies pour densifier le titanate de baryum en une seule étape. Le frittage à froid consiste à ajouter quelques gouttes de liquide à la poudre céramique. Réactions entre l'humidité, la chaleur et la pression créent des matériaux plus denses par rapport au chauffage à des températures plus élevées sans liquide.

Les recherches antérieures sur le frittage à froid utilisaient des solutions neutres ou acides, mais la nouvelle étude incorporait de l'hydroxyde, un matériau alcalin. L'hydroxyde a aidé à produire du titanate de baryum avec les propriétés diélectriques nécessaires à des températures plus basses, disaient les scientifiques.

Le titanate de baryum est le composé de base utilisé pour produire des matériaux diélectriques à haute permittivité dans les condensateurs multicouches. Sur les plus de 3 000 milliards de condensateurs céramiques produits chaque année, environ 90 pour cent contiennent du titanate de baryum.

"Ces appareils sous-tendent le monde électronique moderne, " dit Randall, qui est également directeur du Materials Research Institute de Penn State. "Les implications de l'application de cette technologie au titanate de baryum sont énormes. Rien que sur votre téléphone portable, vous pouvez avoir 1, 000 composants qui sont tous faits de titanate de baryum. Il est omniprésent dans tous les appareils électroniques."

L'abaissement des températures utilisées dans la fabrication commerciale serait non seulement plus économe en énergie, mais pourrait ouvrir la porte à l'utilisation de métaux moins chers et à l'incorporation de composites polymères dans ces condensateurs, selon les chercheurs.

« Ceci est très attrayant pour de nombreuses sociétés de condensateurs de premier plan, qui travaillent tous avec ces chercheurs via le Penn State's Center for Dielectrics and Piezoelectrics (CDP), " a déclaré Randall.