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先进功能陶瓷材料摘要:本文概述了先进功能陶瓷材料的基本分类和优良性能,并对研究现状做了陈述和对未来先进功能陶瓷材料的发展做了展望.关键词: 先进功能陶瓷材料；分类；优良性能；发展概况；展望 Advanced ceramic materialsAbstract: This paper provides an overview of advanced ceramic materials the basic classification and excellent performance, and the research situation on the statement and the future of advanced ceramic materials is prospected.Key words: advanced ceramic materials; classification; excellent performance; development situation; Prospect1. 功能陶瓷材料的简要介绍功能陶瓷材料对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的一种陶瓷材料。功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息因此，说它们多才多能一点都不过分【1-3】它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。超导陶瓷材料就是功能陶瓷的杰出代表。1987年美国科学家发现钇钡铜氧陶瓷在98K时具有超导性能，为超导材料的实用化开辟了道路，成为人类超导研究历程的重要里程碑【2】。压电陶瓷在力的作用下表面就会带电，反之若给它通电它就会发生机械变形。电容器陶瓷能储存大量的电能，目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支，在计算机中完成记忆功能。而敏感陶瓷的电性能随湿、热、光、力等外界条件的变化而产生敏感效应：热敏陶瓷可感知微小的湿度变化，用于测温、控温；而气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制、报警和空气调节；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，进行自动送料、自动曝光、和自动记数。磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料。还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用【3】。2. 先进功能陶瓷材料的发展先进功能陶瓷是包括具有电，礠，光，声，热，力学等不同性能极其交叉偶合效应的压电，磁电，热电，光电等能量互换的功能材料，主要分类有电子陶瓷，磁性陶瓷，敏感陶瓷，光电陶瓷，生物陶瓷，快离子导体和高温超导陶瓷材料等【4】。目前，残叶规模最大的功能陶瓷是新型元期间用的信息功能陶瓷或电子陶瓷，约占60%-80%的份额，主要包括：电介质陶瓷（电绝缘陶瓷和电容器陶瓷），铁电陶瓷，压电陶瓷，微博陶瓷，半导体敏感陶瓷和磁性陶瓷等。3. 先进功能陶瓷材料的基本分类3.1压电陶瓷主要是以锆钛酸铅为主，应用于超声换能器，压电谐振器，滤波器，微位移器和压电驱动器等【4-5】。近年来，作为环境友好性材料，无铅压电陶瓷的研发和应用的到普遍重视。3.2电容器陶瓷陶瓷电容器是电子技术中使用量醉倒的电容器，其成分主要有金红石，钛酸钡等。其结构有圆片式高压陶瓷，晶界层电容器和多层陶瓷电容器【5】。3.3 装置陶瓷主要包括用于电子技术，微电子技术和光电子技术中，起绝缘作用的高压电瓷，陶瓷理念，基片及多层陶瓷封装材料等，有滑石瓷，莫来石，刚玉磁等【6】。随着高温和低温供热陶瓷技术的快速发展，陶瓷和玻璃陶瓷基板材料的需求昨年增加。3.4微波介质陶瓷主要为钛酸盐，锌酸盐基的陶瓷和玻璃陶瓷。是一种高频，低能耗，温度稳定型电介质材料，已经广泛应用于滤波器，移相器，微波电容等现代微波通讯的关键材料。3.5 半导体陶瓷主要组成有钛酸钡，钛酸镁等，主要用于热敏，电敏，光敏，气敏等敏感元件和传感器中【7】。3.6 磁性陶瓷是制造各种磁性与电感器件的基础材料，包括软磁铁氧体，永磁材料以及纳米微晶软磁合金等，其中主要是锰锌铁氧体，镍锌铁氧体等。3.7 压电晶体应用于以声表面波器件为主的各类高频器件，主要有石英晶体，四硼酸锂和新型雅典单晶等【8】。另外，驰豫型贴点压电单晶陶瓷等，已经在医用超声成像方面取得突破性进展和应用。3.8功能陶瓷薄膜随着集成铁电学的深入研究，铁电陶瓷薄膜与微电子工艺的兼容，利用其贴典型，美国已成功研制了非挥发性铁电随机存储器，并且已批量生产。微小型话和集成化的不断发展，才来与器件的融合，分立和集成器件的界限越来越模糊，这使得传统的材料分类变得困难【8-10】。3.9其他功能陶瓷除了上述得到广泛应用的功能陶瓷外，还有很多很有发展潜能和应用前景的陶瓷材料，例如远红外陶瓷，压电复合材料，磁电复合材料，透明导电材料，快粒子导体陶瓷，生物医用陶瓷，高温超导陶瓷以及核反应堆陶瓷等【9】。4. 先进功能陶瓷材料的应用领域高性能先进功能陶瓷材料具有电、光、磁、半导、化学等多方面的功能特性，从而在广泛的应用领域中占有重要地位，并有广阔的开拓前景。（1）电学、电子功能材料 该领域中有各种类型的材料，例如：绝缘材料、压电材料、半导体材料、离子传导材料等，现将典型的材料列举如下：氧化铝、钛酸钡、钛锆酸铅、氧化锌系陶瓷等。（2）磁学功能材料 铁氧体就是在这种功能的材料，铁氧体有软质和硬质之分。在软质铁氧体中，有尖晶石型和石榴石型；在硬质铁氧体中，有磁铅酸盐型【11】。 （3）光学功能材料 透光陶瓷有氧化铝、氧化镁、氧化钇；透光压电陶瓷（光电陶瓷）已知有PLZT【12】。（4）化学功能材料 这一领域的材料中，作为敏感元件的有：气敏元件、湿敏元件和催化剂；作为氧化物有的：氧化锡、氧化锌、复合氧化物等，应用很广。（5）热功能材料 作为红外线辐射材料的有氧化锆、氧化钛。可用作热源。（6）生物体功能材料 应用在人工牙齿、人工骨、人工关节等等。以下是几种常用的先进功能陶瓷的大概分类和应用领域：（一）电性陶瓷可分别归纳为几大类1介质材料。许多陶瓷材料具有高的介电常数，称为介质材料。按其结构与性能，可分为以下几类。（1）绝缘陶瓷。其典型代表有al2o3、 aln及beo等。al2o3陶瓷已广泛用作半导体集成电路的基片与高性能的封装材料。aln具有更高的导热系数，有利于在日益增长集成度条件下热量的散失，是继al2o3之后，下一代的基片材料。beo同样具有高的导热系数，但由于铍的毒性，而且价格昂贵，限制了它的应用。（2）铁电陶瓷。这是一大类功能陶瓷，具有铁电性，以ba- tio3、srtio3等为代表，有宽广的应用性，其中电容性陶瓷的产量及销售额占有最大的比重。（3）压电陶瓷。铁电陶瓷经过极化处理，在大多数情况下可使其电畴转向、排列，从而具有压电性，以钛酸钡、锆钛酸铅等为其主要代表。用它们制成的器件，在水声、电声、超声、滤波、引燃、引爆等方面，有甚为广泛的应用【13】。最近，微位移器的发展，压电陶瓷及电致伸缩陶瓷发挥了很大作用。著名的huber望远镜在外层空间的位置的微小而精确的调整，就是用这种微位移器实现的。2半导陶瓷不少类无机物质具有半导性，被利用为在不同环境下的敏感材料，发展成为传感器。（1）湿敏材料、器件。（2）温度敏感材料与器件典型的有被广泛使用的ptc、ntc器件。（3）气氛敏感材料与器件。（4）变阻器（varister）sic、zno等。吸收高电压、脉冲电流，作为避雷器等。3离子导体。其中以掺杂cao或y2o3的四方稳定zro2作为氧离子导体，以及”al2o3和nasicon作为钠离子导体最有代表性。前者作为在各种环境下，包括高温窑炉、烟道气、汽车尾气和钢水中测定氧的浓度等，已发展成相应的器件，获得广泛的应用。在近年来发展中的氧化物燃料电池（sofc），氧离子导体是整个系统中构成传导氧离子的电介质部件，起到核心的作用。而钠离子导体材料则是多年来引起材料界与电化学界重视的钠-硫电池的关键材料。（二）磁性陶瓷1软磁材料。以铁氧体为代表的软磁材料，人们经过多年的工作，开发了几代材料，为磁记录介质的应用与发展做出贡献。它的优点之一，是更适于在高频下使用。2硬磁材料。另外一大类铁氧体陶瓷构成铁磁体材料，也适用于高频，同样获得广泛的应用。（三）光性陶瓷陶瓷材料做到透明，从而可利用其光性，是陶瓷材料制备科学的一大进步。其关键是要在烧结致密化过程中，排除其中几乎所有的闭口气孔。否则，由于存在着许多与可见光波长相似的气孔，射入光因强烈的散射作用，不能透过，使陶瓷材料失透。1透明氧化铝。一般al2o3陶瓷是不透明的，利用其耐高温、高硬度、耐磨损，高强度以及电绝缘等特性。但当人们掌握了在制备al2o3陶瓷时，排除其中的全部气孔，即成为透明氧化铝。现在的水平，已可制出透过95可见光的管子，用做高压钠蒸气灯。在灯管内，温度可达1400，同时钠蒸气有强烈的腐蚀作用，透明氧化铝成为理想的灯管材料，现已是一巨大的产业。2透明mgo、zns等。是红外及特殊的窗口材料。在工业、高温实验室及国防上均有重要应用【13】。3透明掺镧的锆钛酸铅（plzt）陶瓷，是一种有广泛应用价值的功能陶瓷。由于可制备得到透明的材料，在光阀、光调制、光存储、显示等领域获得应用，成为光信息处理技术中的重要材料和器件。（四）化学陶瓷即利用其化学及电化学性能的一类材料。1气敏材料与器件，如zno、fe2o3、sno2等。已用于气氛检测器、漏气报警及自动换气风扇等。2催化剂载体及催化剂沸石、氧化铝、尖晶石以及相应的纳米材料是很好或已获得广泛应用的催化剂载体，有些经过修饰就具有很好的催化剂功能。3电极材料。用于诸多的电解工业，主要是碳化物、硼化物等。（五）热性陶瓷主要利用陶瓷，特别是涂层材料在适当的高温下具有高效率的红外辐射特性。例如以 zro2及 tio2为基的涂层，在食品、化工、医药等许多行业中获得应用。5. 先进功能陶瓷材料的发展现状先进功能陶瓷材料已经发展成为多晶体，单晶，薄膜，多层膜，复合材料等多种材料形态的大家族，功能效应的多样性，成分和结构的复杂性和应用的广泛性，使得先进功能陶瓷材料科学发展成为一门新兴的的交叉学科，设计固体物理，晶体化学，固体力学，电子器件与信息工程科学等多学科领域【14】，具有丰富的科学内涵，目前，先进功能陶瓷已经成为新一代电子元器件残叶的关键材料，是促进信息技术重大创新的源泉和先导，是技术创新和高科技发展十分活跃的研究领域，其地位仅次于集成电路，是当今世界竞争最激烈，发展最迅速的基础性和战略性的产业。同时也是衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志之一。先进功能陶瓷以每年15%的高速度增长，大约五年年产量增加一倍，信息功能陶瓷材料及其制品的用量逐年增加，因此先进功能陶瓷材料对电子信息产业及集成电路产业发展有着非常重要的作用【15】。6. 先进功能陶瓷材料的发展前景和展望功能陶瓷的不断开发对科学技术的发展起了巨大促进作用功能陶瓷的应用领域也随之更为广泛目前主要用于电、磁、光、声、热和化学等信息的检羽、转换、传输、处理和存储等，并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能人工智能、生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景。根据功能陶瓷组成结构的易词性和可控性，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷；根据能量转换和耦合特性，可以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷；根据其对外场条件的敏感效应，可制备热敏气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷【16】。高温超导氧化物陶瓷的发现，能陶瓷的研究形成了全球性的热点，高温超导陶瓷的研究开发，为未来的技术革命带来新的曙光。本世纪90年代开始的纳米功能陶瓷的研究，表明人们已开始深入到介于宏观与原子尺度的纳米层次来研究功能陶瓷的性能与结构，以期进一步开拓功能陶新的应用领域无论从应用的广度。还是市场占有率来看，在当前及以后相当一段时间内。功能陶瓷在现代陶瓷中仍将占据主导地位。因此，功能陶瓷今后在性能方面会向着高教能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展【17】。在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方向发展，在材料及应用的主要研究方向应包括智能化敏感陶瓷及其传感器；具有高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压电陶瓷及其换能器；超高速大容量超导计算机用光纤陶瓷材料；多层封装立体布线用的高导热低介电常数陶瓷基板材料；量大面广、低烧、高比容、用定性的多层陶瓷电容器材料等。现代工业技术的快速提高，极大地促进了陶瓷工业的发展 陶瓷产品的应用也日益扩大，因此我们可以相信现代陶瓷必将给我们的生活带来巨大的变化，渗透到我们生活的各个方面。参考文献：【1】 张金升张银燕编著. 陶瓷材料显微结构与性能. 北京:化学工业出版社2007【2】 张玉龙, 马建平编著. 实用陶瓷材料手册. 北京: 化学工业出版社2006【3】 李荣久编编著. 陶瓷金属复合材料. 北京: 冶金工业出版社2006【4】 潘金生, 仝健民, 田民波. 材料科学基础 M . 北京:清华大学出版社. 1998.【5】 金宗哲等. 复相陶瓷增强颗粒尺寸效应 J . 硅酸盐学报, 1995, 23( 6) : 610.【6】 穆柏春. 陶瓷材料的强韧化M . 北京: 冶金工业出版社. 2002.【7】黄 勇. 晶须补强陶瓷基复合材料界面研究进展 J . 硅酸盐学报, 1996, 24: 453.【8】 张俊善. 材料强度学M . 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社. 2004.【9】 Evans A G. Perspective on the development of high -toughness ceramics J . J Am Ceram Soc, 2005, 75( 3) :187.【10】Upadhya K, Yang J M ,Hoffmann W P. Materials for ult ra2high tempe