直流电弧等离子体一步法原位合成Ni@BaTiO3纳米胶囊及其在多层陶瓷电容器中的性能研究

为解决多层陶瓷电容器(MLCCs)烧结过程中BaTiO3介电层与Ni内电极层收缩率不匹配的难题，研究人员采用直流电弧等离子体法原位合成核壳结构Ni@BaTiO3纳米胶囊。通过热等离子体共蒸发过程中氧原子优先与Ba/Ti结合的特性，形成均匀包覆的纳米结构。表征显示该材料使氧化温度提升26°C，烧结收缩率达6.71%，兼具优异抗氧化性与电性能，为MLCCs电极材料开发提供新策略。

　　

在智能手机、电动汽车等电子设备爆炸式发展的今天，多层陶瓷电容器(MLCCs)作为核心电子元件面临着"既要马儿跑，又要马儿不吃草"的困境——既要降低成本采用镍电极，又要解决镍与介电材料"脾气不合"的难题。当BaTiO₃介电层与镍电极在烧结过程中跳起"双人舞"时，收缩率的步调不一致会导致器件开裂；而为了防止镍氧化采用的还原气氛，又会让介电材料产生氧空位而"漏电"。这些矛盾严重制约着MLCCs的性能提升与成本控制。

中国的研究团队独辟蹊径，将目光投向直流电弧等离子体这一"材料炼金术"。他们让镍与钛酸钡在超过20000K的等离子体焰流中共舞，利用氧原子"嫌贫爱富"的特性（根据氧势规则优先与Ba/Ti结合），像制作"巧克力夹心球"般一步到位合成出Ni@BaTiO₃纳米胶囊。这种创新方法跳出了传统化学包覆的窠臼，避免了试剂残留，还能像"流水线"般实现规模化生产。

研究主要采用三大技术手段：直流电弧等离子体原位合成、多尺度表征（XRD/TEM/XPS）、以及抗氧化与烧结性能系统评测。其中等离子体工艺通过精确控制N₂气压(0.04MPa)和电弧电流(80A)，实现了纳米胶囊的可控制备。

合成机制揭秘

高能等离子体将原料"拆解"成原子级乐高积木后，BaTiO₃凭借更负的吉布斯自由能优先组装，像"糖衣"般包裹在镍核表面。TEM清晰显示出5-10nm的均匀包覆层，XPS则证实涂层中Ba²⁺与Ti⁴⁺的化学态与标准BaTiO₃完全一致。

性能突破

当BaTiO₃添加量达10wt.%时，材料展现出"三高"特性：

• 抗氧化性提升：初始氧化温度较纯镍提高26°C

• 收缩匹配优化：烧结收缩率精确控制在6.71%

• 结构致密性：烧结体气孔率降低60%

令人惊喜的是，这层"纳米秋裤"并未影响导电性——包覆样品的电阻率与纯镍相当，真正实现了"鱼与熊掌兼得"。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，为MLCCs电极材料开发提供了新范式。Ni@BaTiO₃纳米胶囊像智能缓冲层般，既协调了介电层与电极的"热胀冷缩"，又为镍核撑起抗氧化"保护伞"。该工作不仅揭示了等离子体合成核壳材料的普适性规律，更将生产成本降低约40%，为电子元器件国产化替代注入强心剂。正如Dong Xing Long团队在讨论中指出的，这种"材料三明治"策略可拓展至Cu@ZnO等体系，在5G器件、新能源汽车等领域具有广阔应用前景。