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电子陶瓷材料介电功能应用研究现状与前瞻姓名：刘振东 班级、学号：1073129摘 要 电子陶瓷如压电陶瓷、铁电陶瓷等作为一种广泛采用的敏感材料广泛应用于光电子等领域，本文对其当前应用的现状进行了回顾，介绍了压电陶瓷在超声马达、汽车陶瓷传感器、压电振动陀螺仪、压电陶瓷微位移器、扫描显微镜等中的应用，介绍了铁电陶瓷在微波通讯中的应用! 并对未来的趋势提出了展望。关键词：压电陶瓷；电子陶瓷；铁电陶瓷；介电陶瓷；应用1 引言电子陶瓷材料主要指具有电磁功能的一类功能陶瓷, 它具有较大的禁带宽度, 可以在很宽的范围内调节其介电性能和导电性能。它以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征, 广泛应用于电子、通讯、自动控制等众多高科技领域1。近年来, 电子陶瓷的研究和开发十分引入注目, 其新材料、新工艺和新器件已在诸多方面取得了成果。2 电子陶瓷材料研究现状及其应用前景2.1 高导热、电绝缘陶瓷2.1.1 高导热、电绝缘陶瓷的研究现状绝缘陶瓷又称装置瓷, 它具有高电绝缘性、优异的高频特性、良好的导热性以及高化学稳定性和机械强度等特性。AlN于1862 年首次合成2, 20 世纪50 年代后期, 随着非氧化物陶瓷受到重视, 人们开始将AlN 陶瓷作为一种新材料进行研究, 侧重于将其作为结构材料应用。近10年来, AlN 陶瓷的研究热点是提高热传导性能, 应用对象是电路基板和封装材料。最新研究通过采用有效的烧结助剂如CaO 和Y203 生产出了高纯度、高热导率的AlN。BeO 陶瓷是一种高导热率、电绝缘性能良好的材料,它对微电子集成电路的发展作出了巨大的贡献, 但因其有剧毒, 已逐渐被停止使用3。近30 年来, 由于人们的重视和工业应用的需要, 高导热电绝缘陶瓷逐渐发展壮大, 研究方向也有了一些变化, 主要表现在:(1) 新材料的开发。一方面, 在原有材料的基础上开发新的材料, 如在SiC 中添加2%BeO, 获SiC-BeO 高导热电绝缘材料, 性能优于BeO4; 另一方面, 独立开发新材料, 正在开发中的有氮氧化硅( Si2ON2) 、SiC 纤维、氮化硅系列纤维等56。( 2) 除原料配方外, 成形和烧成工艺研究也取得了较大的进展。1966 年Bergmann 和Barrington 提出了陶瓷粉末的冲击波活化烧结新工艺的概念。在成形工艺上,20 世纪90 年代开发出两种泥浆原位凝固的成形工艺: 凝胶浇注和直接凝聚浇注工艺。在国外的一些实验室已成功地利用这两种工艺制备出形状复杂的氧化铝、氮化硅、碳化硅等制品。(3) 近年来, 针对高导热电绝缘陶瓷制备成本高的问题, 一些科技工作者着重研究如何降低制造成本, 以期改变应用落后的现状。2.1.2 高导热、电绝缘陶瓷的应用前景高导热、电绝缘陶瓷具备优良的综合性能, 在多方面都有着广泛的应用前景, 如高温结构材料、金属熔液的浴槽、电解槽衬里、熔融盐类容器、金属基复合材料增强体和主动装甲材料等。尤其是其导热性良好、电导率低、介电常数和介电损耗低等特性, 使其成为高密度集成电路基板和封装的理想材料。同时也可用作电子器件的封装材料、散热片以及高温炉的发热件等。2.2 介电陶瓷2.2.1 介电陶瓷的研究现状钛酸钡陶瓷由于具有高介电常数、良好的铁电、介电及绝缘性能, 主要用于制备电容器、多层基片、各种传感器等。钛酸钡粉体的制备方法很多, 其中液相合成法因具有高纯、超细、均匀等优点而倍受青睐。美国主要以草酸盐法和其它化学合成法为主810; 日本则主要采用350以下的水热法来合成11; 朱启安用氢氧化钡和偏钛酸为原料, 制备了纯度高、粒径小的钛酸钡粉体, 能满足电子工业对高质量钛酸钡粉体的需求。此外, 以偏钛酸、氯化钡、碳酸铵为原料, 采用沉淀法可制备出纯度高、粒径小的钛酸钡粉体。该工艺不需加热, 且时间短, 可降低设备投资和生产能耗。研究表明: 把La、Nb、Bi 等掺入SrTiO3 中时, 会产生弛豫现象, 并将明显增大电容率、提高介电性。因此, 掺有上述离子的SrTiO3 陶瓷有极强的实用价值, 可用于制造高电压和高电容的陶瓷电容器。钛酸锶粉体的制备方法也是研究的热点, 现已开发出许多化学液相粉体制备方法, 如溶胶- 凝胶法、共沉淀法、水热法等。张士成等12以TiCl4 水解得到的H4TiO4 胶体作为钛源, 在热水溶液中制备出了SrTiO3 粉体。2.2.2 介电陶瓷的发展趋势今后几年介电陶瓷的发展方向仍将是多层陶瓷电容器(MLC)和微波介质陶瓷。具体表现在多层陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介质滤波器的需求是通信市场发展的结果。目前, 大多数厂家的生产都集中在温度稳定的低损耗介质上。此外, 随着人们环保意识的增强,含铅材料的开发将逐渐减少。2.3 压电陶瓷2.3.1 压电陶瓷的现状压电陶瓷作为一种新型功能材料, 广泛应用于传感器、气体点火器、报警器等装置中。它的应用大致分为压电振子和压电换能器两大类: 前者主要是利用振子本身的谐振特性, 要求压电、介电、弹性等性能稳定、机械品质因数高; 后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式。钛酸铅常温下属四方晶系, 当温度高于居里温度时,晶体转变为立方晶系, 是理想的钙钛矿型结构。因此, 钛酸铅是一种可用于高温、高频场合的压电材料。纯钛酸铅的压电性能较低, 而且很难烧制, 当冷却至居里点时,就会碎裂为粉末; 加入少量杂质可抑制开裂, 提高压电性能。王歆13等研究了以氨水- 二氧化碳为混合沉淀剂, 在悬浊液中合成出碳酸铅与二氧化钛的均匀混合物, 使碳酸铅均匀地附着在二氧化钛颗粒的表面, 经过滤、烘干、高温煅烧后得PbTiO3 基质粉体。2.3.2 压电陶瓷的发展趋势现今所用的压电陶瓷材料, 主要是Pb ( Ti, Zr) O3( PZT) 、PbTiO3-PbZrO3-ABO3( ABO3 为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3 等铅基压电陶瓷。PbO( 或Pb3O4) 的含量约占原料总量的70%。近年来欧美等国已把PbO 定为限用对象,因此, 开发无铅或低铅的压电陶瓷势在必行; 其研究正在日本、美国的一些大学开展。无铅压电陶瓷最早使用的是BaTiO3( BT) , 现在主要是Bi0.5Na0.5TiO3( BNT) 和KnbO3( KN) 等钙钛矿型系列。BNT 是一种A 位复合钙钛矿铁电体, 具有铁电性强、压电常数大、介电常数小、声学性能好等优良特性, 且烧结温度较低, 被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一。但单纯的BNT 陶瓷矫顽场强大, 在铁电相区电导率高, 难以极化, 其压电铁电性能也难以发挥, 因此很难实用化。近年来, 人们就BNT 陶瓷改性及其相变特性进行了广泛的研究, 并取得了较大的进展。2.4 快离子导体陶瓷2.4.1 典型的离子导体陶瓷快离子导体陶瓷是指电导率可以和液体电解质或溶盐相比拟的固态离子导体陶瓷, 又称电解质陶瓷。其离子电导率可达10-110-2Scm-1, 活化能低至0.10.2eV。现已发现的快离子导体材料有数百种之多, 其中较为典型的有氧离子导体、钠离子导体、锂离子导体和氢离子导体。( 1) 氧离子导体: 以氧离子为主要载流子的快离子导体。氧离子导体具有特殊的功能, 已在工业上得到广泛应用, 如作为高温燃料电池、氧泵的隔膜材料和氧传感器等。发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三价稀土氧化物稳定的ZrO2 固溶体。( 2) 钠离子导体: 美国福特汽车公司发现以钠离子为载流子的-Al2O3 在200300有特别高的离子导电率后, 钠离子导体发展成为一类重要的快离子导体。此外, 骨架结构钠离子导体的研究也取得了显著进展。( 3) 锂离子导体: 随着高能电池研究的发展, 以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池, 由于寿命长、装配方便等优点引起了人们的重视。( 4) 氢离子导体: 氢离子导体又名质子导体, 它在能源及电化学器件等方面有着广阔的应用前景。2.4.2 快离子导电陶瓷的应用及发展前景目前, 快离子导电陶瓷主要有两方面的应用: (1)用作各种电池的隔膜材料; (2)用作固体电子器件。已实用化的有燃料电池、常温一次电池、蓄电池等。在低能电池应用方面有银离子、铜离子、锂离子和氟离子固体电解质电池。其中锂碘电池由于可靠性高、寿命长, 已用作心脏起搏器电源。硫钠电池是20 世纪60 年代中期发展起来的一种新型高能固体电解质蓄电池。它的理论比能量是铅酸蓄电池的10 倍, 且电池放电电流大、充电效率高、原料来源丰富, 是一种潜力很大的新能源; 目前正在积极研究用于电动汽车动力源、火车辅助电源以及电站储能装置。国际上固体氧化物燃料电池的研究趋势是降低电池的工作温度, 因为中温固体氧化物燃料电池可以使用价格比较低廉的合金材料作连接板, 对密封材料的要求也较低, 使用寿命大幅延长。3 小结( 1) 随着多层制作技术的发展, 电子陶瓷元件可望继续微型化。( 2) 无铅或低铅的压电陶瓷研究开发已成当务之急, 其中单晶体则以KN 和BNT-BT 系列钙钛矿型无铅强介质材料的研究为热点。( 3) 新型电子陶瓷的开发离不开薄膜制备技术。( 4) 医学和通信是电子陶瓷应用增长较快的领域。( 5) 对无机固体电解质的探索仍将集中在以下三方面: 进一步研究晶格结构和离子传输机理, 探索和合成具有高离子迁移骨架的化合物; 发展新型非晶态无机电解质; 进一步提高已发现无机电解质的性能和完善现有的应用, 并开发新的应用领域。参考文献1 王岱峰, 蔡杰, 李文兰等.96 中国材料研讨会论文D.北京: 化学工业出版社, 19972 于凌字,冯玉梅.新型电子陶瓷材料氮化铝工艺进展与应用前景J.新材料产业, 2003,2:31333 林健凉,曲选辉,秦明孔等.注射成形AlN 高导热陶瓷蜡基粘结剂J.中南工业大学学报,2001,(5):4984 殷声编著.现代陶瓷及应用M.北京:北京科技出版社,19905 欧阳世翕,闫玉华,张军.96 中国材料研讨会论文D.北京:化学工业出版社, 19976 冯春祥,宋永才,王应德.高性能陶瓷纤维的研究进展D.96 中国材料研讨会论文.北京:化学工业出版社,19977 韩巍,薛鸿陆.高导热AlN 的冲击波活化烧结D.96 中国材料研讨会论文.北京:化学工业出版社8 Hennings F K,Schreinemacher H J.Method of manufacturingbarium titanate BaTiO3P.US:5009876,1991( 4) , 239 Bruno A,Monson W L.Process for preparing crystallinemixed matal oxidesP.US:5242674,1993( 9) , 0710 HetY S.Preparation of well-defied colloidal bariumtitanate crystals by the controlled double-jetprecipitationJ.J Mater Res.1995,10(12):3106311411 Wada