直流电弧等离子体原位制备Ni@BaTiO3纳米胶囊用于多层陶瓷电容器的抗收缩与抗氧化研究

为解决MLCCs中BaTiO3介电层与Ni内电极层烧结收缩率不匹配问题，研究人员通过直流电弧等离子体法原位合成核壳结构Ni@BaTiO3纳米胶囊。该材料通过热等离子体中氧原子优先与Ba/Ti结合形成均匀包覆层，使氧化温度提升26°C，烧结收缩率达6.71%，同时保持与纯Ni相当的导电性。这项研究为高性能MLCCs电极材料开发提供了新思路。

　　

在智能手机、电动汽车等电子设备爆发式增长的今天，多层陶瓷电容器（MLCCs）作为核心电子元件面临重大技术挑战。传统镍内电极与BaTiO₃介电层在共烧过程中存在"热膨胀差异"难题——两者收缩率不匹配会导致器件开裂，而防止镍氧化的还原性烧结环境又会引发介电层氧空位增多。更棘手的是，随着MLCCs向薄层化发展，纳米级镍粉的均匀分散与抗氧化需求日益突出。

中国科学院金属研究所（Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences）的研究团队另辟蹊径，采用直流电弧等离子体法（DC arc plasma）一步合成核壳结构Ni@BaTiO₃纳米胶囊。这项突破性研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，通过物理气相沉积原理实现了金属-陶瓷界面的原子级结合。

研究团队创新性地利用等离子体高温场使Ni-BaTiO₃靶材共蒸发，依据氧势规则（oxygen potential rule）使O原子优先与Ba/Ti结合，在镍颗粒表面自组装形成致密BaTiO₃壳层。通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）证实，10wt.% BaTiO₃包覆的样品烧结后气孔率最低，氧化起始温度提升至426°C，收缩率精确控制在6.71%，且介电损耗角正切值（tanδ）保持在0.02以下。

【Synthesis mechanism】部分揭示，该技术的核心在于利用Ellingham图（吉布斯自由能判据）调控Ba-O、Ti-O键优先于Ni-O形成。等离子体环境中BaTiO₃的成核能垒（1.32eV）远低于NiO，促使陶瓷相在金属表面外延生长。

【Conclusions】指出，这种"铠甲式"纳米结构使镍粉抗氧化温度窗口拓宽50°C，烧结收缩曲线与介电层高度吻合。更令人振奋的是，包覆后的电极导电率仍达5.8×10⁶S/m，完全满足工业应用需求。

这项研究的意义不仅在于解决了MLCCs制造中的"卡脖子"难题，其首创的等离子体原位包覆技术为其他核壳功能材料（如Ni@ZrO₂、Ni@TiO₂）的制备提供了普适性方案。研究团队特别指出，该方法单次产量可达公斤级，相比传统湿化学法效率提升20倍，且避免有机溶剂残留问题，为纳米电极材料的规模化生产铺平了道路。正如通讯作者Dong Xing Long强调的，这种"材料基因"式的组分设计思想，或将引领下一代电子元器件向更薄、更可靠的方向发展。