2010电子陶瓷第1章第一讲.ppt

电子陶瓷Electroceramics,2010年3月7月,ElectronicCeramics,课时安排：51学时第一章：电子陶瓷概论第二章：电子陶瓷结构第三章：电子陶瓷相图第四章：电子陶瓷性能第五章：电子陶瓷制备工艺原理第六章：压电与铁电陶瓷第七章：微波陶瓷第八章：敏感陶瓷第九章：固体氧化物燃料电池第十章：超导陶瓷,Electroceramics,ElectronicCeramics,参考书：1、周玉陶瓷材料学（第二版），哈尔滨工业大学出版社，2005年2、曲远方功能陶瓷及应用化学工业出版社，2003年3、A.J.MoulsonandJ.M.Herbert.ElectronicCeramics,2thEdition,JohnWileyarticlesproducedinthisway.,第一章电子陶瓷概述,Ceramics来自希腊字Keramic，意为“anartofpotter”;而Keramic来自希腊字Keramos，意为“Burntstuff”用火烧成的制品，多指粘土烧成的陶器。后经长期演变，含义进一步延伸，凡属粘土烧成的制品都属于Ceramics，如陶瓷、砖瓦、耐火材料等。,第一章电子陶瓷概述,国际上对陶瓷的广义的定义与上述定义类似。W.D.Kingery现代陶瓷工程之父，在“IntroductiontoCeramics”中把陶瓷定义为:“theartandscienceofmakingandusingsolidarticleswhichhaveastheiressentiallycomponent,andarecomposedinlargepartof,inorganicnonmetallicmaterials”“制造和应用固体制品的技艺和科学，这种固体制品主要是由无机非金属材料作为基本组分组成的”。,第一章电子陶瓷概述,这一定义不仅包括陶器、瓷器、耐火材料、建筑粘土制品、磨料、搪瓷、水泥和玻璃等材料，而且还包括非金属磁性材料、铁电体、人造单晶、特种陶瓷、以及各种各样的其他制品。Thisdefinitionessentiallysaysthataceramicisanythingthatisnotanorganicmaterialorametal.,第一章电子陶瓷概述,随着时代的进步，原料或产品中虽然不含硅酸盐组分，然而用陶瓷工艺方法（CeramicProcess）生产的制品也称Ceramics。目前这类材料还在不断发展，新型材料不断出现。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。Itsuggeststhreecategoriesofmaterials:ceramics,organicsandmetals,第一章电子陶瓷概述,我国的陶瓷一词和英文中的Ceramics一样具有狭义（陶瓷、瓷器）和广义两重含意：广义的陶瓷工业是陶瓷、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料、水泥等无机非金属材料工业的泛称。,第一章电子陶瓷概述,随着工业的发展，陶瓷制品广泛地应用于社会各行各业，采用了更多、更复杂的工业原料。现代陶瓷的广义的定义为：“用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品”,第一章电子陶瓷概述,如压电陶瓷、电容器陶瓷、微波陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷等可广泛应用于电子、原子能、宇航、半导体等工业。,第一章电子陶瓷概述,第一章电子陶瓷概述,1.1.2陶瓷的分类,第一章电子陶瓷概述,第一章电子陶瓷概述,氧化铝陶瓷,氮化铝陶瓷,生物陶瓷,多孔陶瓷,保健陶瓷,建筑卫生陶瓷,耐高温陶瓷刀具,高温结构陶瓷零部件,耐酸陶瓷风机,适用于输送或抽吸各种腐蚀性气体,陶瓷装甲车,航天飞机腾空而起,“发现号”航天飞机腹部的绝热瓦,“发现号”航天飞机,航天飞机的防热盔甲,以纯度99.7%、直径为11.5m的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。,航天飞机,航天飞机的机头,航天飞机的防热瓦,航天飞机热分布示意图,“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。,第一章电子陶瓷概述,与传统陶瓷比较，现代陶瓷的化学组成、显微结构都有极大的不同，其性能可满足工业和国防中各种特殊的需要。因此，现代陶瓷又常称为技术陶瓷（techniqueceramics）工业陶瓷(industryceramics)工程陶瓷(Engineeringceramics)特种陶瓷等(Specialceramics),第一章电子陶瓷概述,1.1.3陶瓷发展的重要阶段广义的陶瓷包括了陶器、彩色釉器、瓷器、玻璃、水泥、晶体等的发展DavidW.Richerson在其著作中ModernCeramicEngineering(Taylor&FrancisGroup,NewYork,2006)给出了广义的陶瓷的简要发展的里程碑,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,KeyMilestonesintheEvolutionofCeramics,第一章电子陶瓷概述,陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷三个发展阶段。从二十世纪九十年代开始，陶瓷进入了纳米陶瓷发展阶段。,第一章电子陶瓷概述,陶器(从公元前24000年开始),瓷器(从公元250年开始),现代先进陶瓷(从20世纪40年代开始),纳米陶瓷(从20世纪90年代开始),第一章电子陶瓷概述,1、陶器阶段用黏土制成毛坯，经过高温(1000C)烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一2、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（1200C）,第一章电子陶瓷概述,3、现代先进陶瓷阶段原料纯化从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主新工艺层出不穷成型新工艺：等静压成型、热压成型、离心注浆成型、压力注浆成型、流延成型等,第一章电子陶瓷概述,烧结新工艺：热压烧结、热压等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓燃烧结等理论日趋成熟从经验操作发展到科学控制、特定材料设计、工艺结构性质使用性能分析技术进步显微结构分析技术如X射线衍射仪、电子显微镜、原子力显微镜、特殊性能测试仪器等,第一章电子陶瓷概述,相邻学科发展量子力学、固体物理、固体化学、配位化学、结晶化学、量子化学、半导体、微电子等4、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。,第一章电子陶瓷概述,1.2中国陶瓷史话陶瓷的发展最早可以追溯到中国的史前时期。如6700年前的西安半坡遗址，即有大量的彩陶出品，还有单孔陶哨出土，这是最早发现的乐器之一（一孔二音）。随后，在山西万荣县荆村发现了二音孔陶哨（三音），玉门市火烧沟文化遗址发现了三音孔陶哨，到殷代出现了五音孔陶哨（七音），汉代六音孔陶哨。,第一章电子陶瓷概述,在7000年前的浙江余姚县河姆渡村出土了陶塑小猪，表明人们已开始养猪了。陶器须用火烧才能抵抗水的侵蚀。用机械旋转成型。第一次用颜色（氧化铁）。彩陶有三种色：赭红色（氧化铁），黑色（氧化铁+氧化锰），白色（白色粘土）。,商后期白陶雷纹,初唐白陶兽面,（仰韶文化半坡类型）彩陶人面鱼纹盆,彩陶船形壶（仰韶文化半坡类型）,鸟纹彩陶盆（仰韶文化庙底沟类型）,彩陶鱼纹盆,（山东龙山文化）薄胎高柄陶杯,第一章电子陶瓷概述,秦代的兵马俑，是陶俑体型与真人真马相近，如武士俑高1.80米，马高1.70米。陶俑还有颜色。秦始皇的陵墓在西安城东30公里处。1974年2月，当地农民在秦始皇陵东侧1.5公里处打井时偶然发现了与真人真马一样大小的兵马俑。从此，一个埋藏了两千多年的地下军阵被挖掘出来，并建成博物馆。,第一章电子陶瓷概述,秦兵马俑坑系秦始皇的陪葬坑，由一号、二号、三号坑和兵码俑坑组成。展出的陶质陪葬武士俑和兵马俑共计8000个，排列成阵，气势壮观。俑分将军俑、铠甲俑、跪射俑等。坑内还出土有数万件实战兵器，馆内展出秦始皇大型彩绘铜车马。被称为”世界第八大奇迹”的秦兵马俑展示了古长安往日的辉煌，也是长安成为丝路起点的一个写照。,第一章电子陶瓷概述,唐代的唐三彩，是最为著名的陶器之一。唐三彩以白、绿、黄三种色为主，古代以三、五为多数的意思。一般是先烧素坯10000C，再烧釉8000C，最后“开相”，即用笔画帽、发、眉、须，用氧化铁末或朱砂画红唇。,第一章电子陶瓷概述,唐三彩为唐代陶器的代表，是低温铅釉陶器，用白色粘土作胎；用含有铜、铁、锰、钴等矿物作釉料着色剂，釉、里还加入铅作助熔剂，最后经低温、（800左右）烧制而成。釉色有绿（铜）、赭（铁）、蓝（钴）三色，故称“唐三彩”，其实几种釉色互相渗化，又产生许多新色，再加上年代久远，有些颜色变化，所以现在呈现出来的颜色不只三种，而是绚烂多彩、富丽堂皇。唐三彩陶器主要用于明器和俑，表现建筑、家具、日用品、牲畜、人物等，式样繁多，可再现唐代社会生活风貌，被誉为唐代社会的“百科全书”。,第一章电子陶瓷概述,从目前出土的唐三彩来看，它始于唐高宗时，盛于开元盛世，天宝以后逐渐衰落。盛唐三彩产量大，质量高，三彩俑生动传神，釉色自然垂流，互相渗化，色彩绚丽，呈朦胧之美，艺术水平很高。唐三彩是在综合东汉以来的绿釉和黄釉陶的基础上，又引进波斯蓝釉技术蓝釉技术创烧而成的。据说唐三彩中呈蓝色的钴料，也是从波斯进口的，所以人们常说“三彩贵蓝”。,此外唐三彩中的凤头瓶也受波斯萨珊银器影响。目前出土的唐三彩多集中于唐代两都西安和洛阳，此外扬州也出土了一些。估计唐三彩产地也主要在这些地方，但目前所发现的唐三彩窑址仅有河南巩县窑一处。,巩县窑出土的唐三彩有钵、碗、瓶、罐等，还发现有贴花装饰用的陶范，但没发现俑。唐三彩对后来的陶瓷发展影响很大，诸如外国的波斯三彩、伊斯兰三彩、新罗三彩、奈良三彩等，中国的辽三彩、宋三彩、明三彩、清三彩等，都受其影响。,第一章电子陶瓷概述,江苏宜兴生产的紫砂陶器驰名中外，素有“陶都”之称。从宋代开始，以茶具为主，使用越久越光润；耐冷、热急变，热传导性低，沸水注人不裂，造型优美、别致，装饰独特。清嘉庆年间，金石书法家陈曼生，酷爱紫砂，富于收藏，并亲自设计书画题字，世称“曼生壶”，艺术价值很高。明末清初已有葡萄牙人携往欧洲，不惜千金买一壶一碟。,提梁壶（明代）,壶系宜兴窑产品。砂质，肝红色，质地较粗，壶面有缸坛飞釉。球腹，腹下部稍敛，平底，弯流，流与腹衔接处贴塑四瓣柿蒂形纹饰。圆角四棱的提梁近似桥形，转折处为倭角，后部有一栓绳系盖的小系。平盖，组件葫芦状，无子母口，盖内有“十”字形筋。整个壶造型严谨，做工规整。此壶从南京市中华门外马家山明代司礼太监吴经墓中出土，同出的砖刻墓志表明墓葬年份为明嘉靖十二年(1533年)。这是我国目前唯一有绝对纪年可考的嘉靖早年紫砂器。,彩绘山水注壶（清代）,壶身似杯，有短平流，无把。盖身、圈足均作四瓣瓜棱形。盖顶堆塑双桃，瓜棱腹两侧用胭脂红、蓝、青、黄、黑等多种色料绘山水画。器形规整，制作讲究。盖内及壶底均刻草书“王伦”二字，底又印有椭圆形款记，惜字迹模糊，难以辨认。1959年浙江杭州半山清乾隆年间墓葬出土。,蓝釉博古方壶（清代）,造型作方钟形，敛口，鼓腹，底微凹。方形流，流下部紧贴腹壁。扁环形把。四注式盖，弧形钮。紫砂胎，器表施蓝釉，腹壁两侧以白、红、绿彩绘博古图。底正中钤一阳文方印，字迹不清。,鱼化龙壶（清代）,此壶选泥精细，泥色极为纯正。通身作海水波浪纹，线条流利，简洁明快。鱼龙吐珠，神韵生动。壶盖安装的龙首伸缩自如，优美灵活。配以龙尾执柄，浑成一体，格律谨严。考清代中叶阳次制壶名手一时涌现，特以二泉杨彭年为制曼生壶饮誉独高，然细审传世真品，大亨所制巧思出群，格调高雅，诚有过之。借其颇自珍重，距今虽百年余年，而作品传世绝少。鱼化龙式为其代表作，此壶已为国内孤品。壶盖内钤阳文楷书“大亨”瓜子形印。,挂釉彩绘坛（清代）,坛作圆球形，小圆口，短直颈，圆肩，腹微鼓，平底内凹。器表施绿釉，腹部以蓝、白两色釉作开光各二。白釉开光以彩釉绘山水，蓝釉开光以白釉行书题七言诗各一首。肩部以黄釉绘如意云头纹及白釉带红彩简化蔓草纹一周，近底部亦饰白釉带红彩简化蔓草纹一周。,第一章电子陶瓷概述,明代，日本已成为我国陶器的最大的海外市场。宜兴的紫砂陶器得益于其独特的原料，在江苏宜兴附近有大量的适合生产陶器的紫砂、红泥和绿泥。,第一章电子陶瓷概述,原始社会的陶器中的氧化铁含量在6%以上，到了商代降为3%，周代下降为2%。这是制陶术上第一大突破。公元前3000多年已有上了灰黄色釉的陶器，西周时出现了青色釉。陶器上釉，这是制陶术上的第二大突破。随着高温技术的发展，经过12000C以上的温度烧结的陶器便成为了瓷器，这是制陶术上的第三大突破。,第一章电子陶瓷概述,我国在浙江上虞小仙坛窑址出土的东汉越窑青瓷，是目前发现最早的瓷器（1700年前）。有报道，我国发现了战国时代的瓷器欧洲直到1709年才有硬质瓷技术。中国古代的瓷器发展大致经历了青瓷、白瓷和彩瓷三个阶段。,第一章电子陶瓷概述,从东汉开始，烧造青瓷的窑场遍布全国各地，有名的如浙江的越窑、瓯窑、龙泉窑，河南临汝的汝窑、开封的北宋官窑、陕西铜川的耀州窑等。宋代五大名窑：官窑（开封或杭州）、哥窑（浙江龙泉）、汝窑（河南临汝）、定窑（河北曲阳）、钧窑（河南禹县）前三者以青瓷为主。,第一章电子陶瓷概述,青瓷对原料的要求不高。含氧化铁较多的粘土烧出的瓷器呈灰白色，在还原性气氛（如CO）中烧结即可将氧化铁还原为氧化亚铁，从而使瓷器呈现出悦目的青色。唐代诗人陆龟蒙以“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”的诗句来赞美青瓷的美丽。,青釉凤首龙柄壶（唐）,耀州窑青釉刻花萱草纹盘（宋元）,官窑贯耳瓶,钧窑玫瑰紫海棠式花盆,汝窑三足樽,南宋哥窑五足洗宋元,第一章电子陶瓷概述,南宋时期浙江的龙泉窑烧制的青瓷达到登峰造极的地步。它是在越窑（上虞、余姚和宁波一带）、瓯窑（温州、瑞安和永嘉一带）的基础上发展起来的。龙泉有兄弟二人：章生一、章生二章生一所烧的窑叫“哥窑”、章生二所烧的窑叫“龙泉窑”。极为有名。,天青坛纹碗,双耳牡丹洗,珍珠盘,青釉万花瓶,第一章电子陶瓷概述,隋代开始即有白瓷，但唐代的白瓷最有名。如河北邢台的邢窑、河北曲阳的定窑、江西景德镇等生产的白瓷都极负盛名。邢窑的白瓷与越窑的青瓷平分秋色。,第一章电子陶瓷概述,四川大邑也曾出产白瓷，杜甫有诗赞曰：“大邑烧瓷轻且坚，扣如哀玉锦城传。君家白碗胜霜雪，急送矛斋也可怜。”,第一章电子陶瓷概述,哥窑弦纹瓶，高20.1cm，口径6.4cm，足径9.7cm。弦纹瓶是典型的哥窑产品，造型端庄秀美，金丝铁线纹片和肩颈凸起的四道弦纹使单一色釉增添了起伏变化，更具韵律感。哥窑传世品不多，主要藏于北京故宫博物院和台北故宫博物院。,第一章电子陶瓷概述,官窑葵瓣洗，高4.8cm，口径18.7cm，足径11.2cm。宋代官窑瓷器与汝、哥、钧窑瓷器一样，特别注重釉色美。其凝厚的釉层系采取先素烧坯体、然后多次施釉的方法完成的，釉层厚度往往大于坯体的厚度。,第一章电子陶瓷概述,耀州窑青釉刻花瓶，高19.9cm，口径6.9cm，足径7.8cm。耀州窑刻花青瓷以盘碗为多，瓶类较少。此瓶小口短颈，衬出瓶身的雍容饱满，刻线处积釉色深，凸起处色较浅，使花纹更加清晰，有立体图案的效果，为耀瓷中的精品。,第一章电子陶瓷概述,龙泉窑青釉塑贴双鱼纹洗，高6cm，口径23.5cm，足径13cm。此器釉色青翠，塑贴鱼纹清晰，是南宋龙泉窑的典型作品。在韩国新安海底沉船中亦发现有类似器物。,第一章电子陶瓷概述,彩瓷则以清代出品的为多。江西景德镇被称为中国的“瓷都”。在宋代以前称新平，又叫昌南镇、陶阳镇。唐代即有名师烧制的陶瓷名扬天下，号称“假玉器”,第一章电子陶瓷概述,北宋真宗喜欢该地生产的瓷器，他令烧造一些御制瓷器，并在瓷器底部写上“景德年制”。景德是真宗的年号（10041007）。从此以后，这个地方便改名为景德镇。,第一章电子陶瓷概述,到了明、清两代，景德镇已经成为了全国的瓷业中心。明、清历代帝王所需的瓷器，大部在此烧造。景德镇的瓷器还远销国外：印度、波斯、埃及、菲律宾、爪哇、苏门答腊、朝鲜、日本、英国、法国、荷兰、俄国等,第一章电子陶瓷概述,北宋磁州窑黑釉刻花纹瓶高：23.0cm唇口，溜肩，除肩口部分外通体施黑釉，腹部剔刻开光式窗格图案及云纹，十分少见。,第一章电子陶瓷概述,宋青白釉孩儿枕长：21.0cm造型古朴，形象生动。孩儿侧卧于枕座之一，支撑枕面。为中国古代标准“福孩”。,第一章电子陶瓷概述,明朝弘治年间白釉暗刻海水绿龙盘,第一章电子陶瓷概述,明朝隆庆年间青花团龙纹提梁壶,第一章电子陶瓷概述,清朝金地粉彩桃橄榄式瓶,第一章电子陶瓷概述,清朝康熙年间五彩花卉折沿碗,粉彩八桃天球瓶,第一章电子陶瓷概述,景德镇的瓷器主要有：青花、彩瓷、薄胎、雕镶、仿古瓷等，在制瓷技术、品种、产量、质量、装饰技术等方面都达到了极高的水平。以“青如天、明如镜、薄如纸、声如磬”来赞美影青瓷坯体薄、釉色白而隐现青色、坯体上雕着暗花，内外都可映见。,第一章电子陶瓷概述,景德镇的瓷器之最：最大大龙缸，直径71厘米、高70厘米、厚5厘米，在定陵中被发现。最薄薄胎碗，厚度仅为0.5毫米。十六世纪法国作家潘西罗，自作聪明地认为：“这种瓷器是由鸡蛋壳和捣碎的贝壳做成的”。,第一章电子陶瓷概述,景德镇成为我国著名的“瓷都”，其主要原因在于：(1)自然资源丰富。如在景德镇东45公里的高岭村发现了大量优质的烧造陶瓷所用的高岭土。瓷石、釉果、耐火土、煤等，质量优良、储量丰富。(2)历史悠久、发展有序，未经大的灾祸。战乱（定、汝、钧）、王朝更替（官）、资源枯竭（龙泉）(3)博采众家、技艺超群。,第一章电子陶瓷概述,我国从七世纪左右便开始出口瓷器。先后到达了朝鲜、日本、菲律宾、泰国、印度、伊朗、埃及、东非等。十四世纪，传到欧洲各国。瓷器成为了中国文化的象征，对世界文明的发展产生了极大的影响。,作业：1、Whatwastheroleofceramicsinthedevelopmentofawrittenlanguage?2、Whatarethedifferencesincharacteristicsofaleadglazeandatinglaze?3、Whywas“dustpressing”animportantinnovation?4、简述陶瓷发展的几个重要的发展阶段及中国对陶瓷发展的主要贡献。,第一章电子陶瓷概述,1.3现代电子陶瓷在先进陶瓷阶段出现的电子陶瓷是电子工业、航天、航空和核工业的基础之一，在其他高技术领域也异常活跃。例如，某种火箭，其中采用陶瓷材料制造的零部件占80%，一台彩电接收机，用陶瓷制造的元器件约占75%。,第一章电子陶瓷概述,电子陶瓷是应用于电子技术中的各种陶瓷，主要可分两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷指用于制造电子元件、器件、部件等的基体、外壳、固定件、绝缘零件等的陶瓷材料，又称装置瓷。,第一章电子陶瓷概述,功能陶瓷指用于制造电容器、电阻器、电感器、换能器、滤波器、振荡器、传感器等的陶瓷材料,电子陶瓷,电子结构陶瓷,电子功能陶瓷,基板陶瓷,电气绝缘陶瓷,电气真空陶瓷,电容器陶瓷,电阻陶瓷,电感陶瓷,压电铁电陶瓷,微波陶瓷,超导陶瓷,磁性陶瓷,第一章电子陶瓷概述,电子陶瓷在电子工业中的重要地位还在于它在整机中的关键性作用。一块集成电路的稳定性和使用寿命，在很大程度上取决于它的基片或管壳的性能；一个自动控制系统的调节范围、精度和灵敏度等主要指标，都取决于传感器的性能，而制造传感器的主要材料是功能陶瓷；一台大型计算机的运算速度主要取决于磁性瓷记忆元件。,第一章电子陶瓷概述,目前已经形成产业化的电子陶瓷大致有以下几类：1、高频绝缘零件瓷主要用作高频绝缘支柱、板、管等各种绝缘子及紧固件。如滑石瓷、低碱莫来石瓷、刚玉莫来石瓷、各种氧化铝瓷等。,第一章电子陶瓷概述,2、电阻基体和电感基体瓷主要用作电阻器和电感器的基体。有低碱莫来石瓷、刚玉莫来石瓷和氧化铝瓷等。3、电真空瓷主要用于真空电子器件中的绝缘、耐热、支承件、密封件、集成电路管壳和基片等，有镁橄榄石瓷、刚玉瓷、氧化铍瓷、氮化铝瓷等。,第一章电子陶瓷概述,4、电容器瓷用于高频电路的温度稳定的电容器瓷，如四钛钡瓷、镁镧钛瓷、钙钛硅瓷等；用于高频电路起温度补偿作用的电容器瓷，如金红石瓷、钛酸钙瓷、钛锶铋瓷、锡酸盐和锆酸盐等。,第一章电子陶瓷概述,具有高介电常数的铁电陶瓷，它可以制造体积小、电容量大的电容器，用于低频、高频、脉冲储能电路；介电常数很高，且对温度相当稳定的半导体陶瓷电容器，亦称晶界层电容器，它具有高的可靠性，用于要求稳定性和可靠性高的电路。,第一章电子陶瓷概述,在陶瓷电容器中还有一类结构上特殊的电容器，称独石电容器。它也可以用于上述各种电路，其特点是体积小，容量大。这类电容器，每立方厘米体积电容量可达数十微法拉。,第一章电子陶瓷概述,4、电容器瓷用于高频电路的温度稳定的电容器瓷，如四钛钡瓷、镁镧钛瓷、钙钛硅瓷等；用于高频电路起温度补偿作用的电容器瓷，如金红石瓷、钛酸钙瓷、钛锶铋瓷、锡酸盐和锆酸盐等。,第一章电子陶瓷概述,具有高介电常数的铁电陶瓷，它可以制造体积小、电容量大的电容器，用于低频、高频、脉冲储能电路；介电常数很高，且对温度相当稳定的半导体陶瓷电容器，亦称晶界层电容器，它具有高的可靠性，用于要求稳定性和可靠性高的电路。,第一章电子陶瓷概述,在陶瓷电容器中还有一类结构上特殊的电容器，称为独石电容器或多层陶瓷电容器。特点是体积小，容量大。这类电容器，每立方厘米体积电容量可达数十微法拉。,第一章电子陶瓷概述,5、铁电陶瓷它是一种存在自发的带电小区域功能的陶瓷，具有许多特殊的功能，除有极高的介电常数外，还有介电常数随温度、电场变化的非线性，对光的各向异性，又折射特性，电致应变以及相变引起的各种特性变化和耦合等性能。它除用作大容量电容器外，还可制造各种敏感器件、光学器件、微粒移发生器等。,电滞回线hysteresisloop,自发极化Ps剩余极化Pr矫顽电场Ec,第一章电子陶瓷概述,6、半导体陶瓷导电性介于金属和绝缘体之间的陶瓷，其电导率受控于外界条件。因此，它可用于制造敏感性元件和传感器，如热敏、电压敏、光敏、气敏、湿敏等。其主要组成有BaTiO3、SrTiO3、MgTiO3、SiC、ZnO、SnO2、CdS、MgCr2O4等一种或多种复合材料。,第一章电子陶瓷概述,7、导电陶瓷有SiC、石墨陶瓷等，可做高温发热体、微波吸收材料、大功率电阻器等。SnO2系列薄膜可做透明电极，用于各种显示器件。,第一章电子陶瓷概述,8、压电陶瓷它是一种将变化的力转换为电或将电转换为振动的功能陶瓷。如BaTiO3PbTiO3等。9、磁性瓷又称铁氧体或铁淦氧，这是一大类广泛应用的陶瓷。,第一章电子陶瓷概述,二十世纪八十年代以来，电子信息技术的集成化，微型化和智能化发展趋势，推动电子技术产品日益向微型、轻量、薄型、多功能、高可靠和高稳定方向发展。表面组装技术的兴起，使信息功能陶瓷元器件多层化，多层元件片式化、片式元件集成化、集成元件模块化和多功能化成为近年的发展总趋势。,第一章电子陶瓷概述,二十世纪八十年代初电子元件的片式化率占4-6%，到二十世纪九十年代初则达50%。国际上片式电容、片式电阻和片式电感已形成规模生产和新兴产业。,块状元件,片式元件,第一章电子陶瓷概述,集成电路工作电压，由七十年代的几十伏特降低到现在的几伏特、要求片式多层陶瓷电容器（MultilayerCeramicCapacitor-MLCC)的层厚由几十m降低至10m以下。日本村田制作所片式电容产品的层厚可达5-6m，正在研制与开发层厚1-3m的MLCC产品。,第一章电子陶瓷概述,MLCC的外型尺寸从0805(0.080.05inch)到研制开发出更小尺寸的0603、0504及0402型。MLCC从20世纪90年代初期开始规模化生产，每年以30%以上的速度增加，到2004年已经成为电容器的主流。在全世界14000亿只电容器中，仅陶瓷电容器就达到了12000亿只以上，而MLCC达到6000亿只以上，大约占据了电容器市场的半壁江山。,MLCC具有体积小、成本低、单位体积电容量大、温度等环境因素对性能影响小等优点，除在广播电视、通信、计算机、家用电器、测量仪器、自动控制、医疗设备等民用电子设备产品中得到广泛应用外，在航空航天电子设备、坦克电子设备、军用移动通讯设备、警用袖珍式军用计算机、武器弹头控制和军事信号监控等军用电子设备上也有越来越广泛的用途。,在移动通讯设备中，MLCC的质量与价格直接影响到现代通讯设施的水平和成本，也成为科技界人们关注的焦点。近几年来，国际市场对MLCC的需求以年均15%20%的速度递增。2004年全世界MLCC的消耗量约为8000亿只，到2005年这一数字将达到9500亿只。根据信息产业部“十一五”规划，我国内地的新型电子元件将获得高速发展，片式电子元器件将由2005年的5200亿只，发展到2010年的15200亿只，其中MLCC将由2200亿只发展到6000亿只。,MLCC的使用领域，增加最快的用户是手机(约30%)、计算机(15%)、汽车电子(10%)、AV音像设备(15%)及其模块上的应用。近年来，由于小型大容量USB可移动硬盘的普及和蓝牙模块的使用，微型MLCC的需求量迅速增加。假设每台个人电脑平均使用600只MLCC，每部手机平均使用200只MLCC。（全世界2007年大约生产个人电脑2亿台，手机10亿部）,近年来世界电子产品制造业加快了向中国转移的速度，中国电子制造业MLCC的用量占到全球用量的四分之一，已经成为世界上MLCC的主要消费大国之一。2004年我国仅进口的陶瓷电容器就达到12多亿美元，其中70%为MLCC，达8亿多美元。国内MLCC的生产能力，每年以30%以上的速度增长，1997年不到100亿只，2004年已达1200多亿只，其中大约三分之二出口。,国内厂商的生产能力基本在0603型尺寸及更大的产品，而手机和微型AV音像设备所需要的更加细小的0402型和0201型元件产品，国内厂商还缺乏规模化生产能力，或者处于试产水平。虽然这几年我国MLCC的生产能力快速增长，但是到2004年，还不到世界总产量的十分之一，所占销售额比例就更低。所以，国内MLCC市场大约三分之二依靠进口。,目前国内MLCC行业中最大的企业是风华集团、北京村田、上海京瓷、天津三星等四家，他们生产的产品占国内生产量的90%以上。此外，天津松下、厦门TDK、东莞太阳诱电等日资企业；国巨电子、华新科技、汇侨工业等台资企业，以及诺基亚、松下、富士通和摩托罗拉等也纷纷在中国设立研发与生产中心。集中在珠江三角洲、长江三角洲、环渤海京津地区的新型电子工业区域内，为以半导体、笔记本电脑、手机及零部件为主的企业提供配套的MLCC产品。,不同型号MLCC的市场变化,第一章电子陶瓷概述,世界电子工业的高速发展，都是以先进的电子元件及其材料的发展为基础。近十年来，世界各发达工业国家竞相投入巨资和雄厚科技力量研究开发表面组装片式电子元件材料及应用技术。片式电子元件及材料产业的科研开发水平和产业化程度的高低已成为衡量一个国家微电子基础工业发展程度和科技水平高低的标志，成为国际高科技剧烈竞争的一个制高点。,第一章电子陶瓷概述,高性能片式电子元件是多种现代高技术的新型微电子基础元件的综合及集成。以它为代表的信息功能陶瓷材料及元件是集成电路，电子信息，计算机，汽车工业，精密仪器，航空，航天，能源技术，通讯技术，军事国防等领域中各种电子整机设备的基础。它的市场需求量与日俱增。,第一章电子陶瓷概述,信息功能陶瓷的市场销售额一直占整个高技术陶瓷市场的80%左右，预计在今后相当长时间内仍将保持这一比例。世界片式电子元器件1995年的产量超过1万亿只、近3万种。片式电容器、电阻器和电感器是最重要的三大类。,第一章电子陶瓷概述,片式元器件的需求年增长(1020)%，预计到2010年片式电子元器件的市场需求量、产业化规模和技术性能水平必将得到空前的扩展和提高。我国的电子陶瓷产业发展很快。1999年或2000年我国电子陶瓷及元器件（陶瓷电容器、热敏电阻器、压敏电阻器、压电陶瓷频率元件等）的生产量及2008年的产量预测如表1-1所示。许多产品如滤波器、谐振器、压电陶瓷点火瓷柱等已经稳居世界产量第一。,表1-1我国电子陶瓷元件、材料产品,1.5国内外主要电子陶瓷公司1、TDKTDK公司成立与1935年12月。1992年以来TDK先后在大连、厦门、苏州成立了子公司。在TDK公司先进核心技术的支持下，TDK公司具有领先的电子元件材料及其元器件的制备技术。TDK先进的材料及元器件制备技术为现代手机、PC的发展提供了重要的支持。,TDK公司的部分产品,2、村田制造有限公司村田制造有限公司（MurataManufacturingCo.Limited）是一家集成电子元件制造公司，是日本最大的电子陶瓷生产商。村田制造公司的产品可以分为普通应用以及特定模块应用。普通应用产品有电容器系列、电热调节器（电阻）系列、线圈/延迟线系列等；特定模块应用有移动通讯滤波器、微波元件、微波模块、音频视频设备滤波器等。,CeramicResonators(CERALOCKr)MurataInc.,DielectricFilters(GIGAFILr)MurataInc.,DIELECTRICRESONATORS(RESOMICSr)MurataInc.,CERAMICFILTERS/CERAMICDISCRIMINATORSFORCOMMUNICATIONSEQUIPMENTMurataInc.,Murata公司的部分产品,3、京都陶瓷制造公司京都陶瓷制造公司（KyoceraCorporation）是日本著名的电子陶瓷制造公司。公司在2000财年的销售额达到1，258，053百万日元，折合10，363.33百万美元，较1999财年增长了58.1。,4、成都宏明电子实业总公司成都宏明电子股份有限公司（原715厂）是以新型电子元器件为主业的大型综合性电子企业，属于国家一大型企业。公司于2002年成功实现转制设立为股份有限公司。公司先后从美国、日本、瑞士、台湾等国家地区引进了高品质合成碳膜电位器生产线、瓷介圆片电容器生产线、军用金属化有机薄膜生产线、PTC消磁热敏电阻器生产线以及片式多层陶瓷电容器圈套生产线技术和部分关键设备、电子瓷料生产关键设备、精密模具制造和零件制造设备，并进行了消化吸收、开发创新。,公司主营各型新型电子元器件、电子陶瓷功能材料、精密模具于零件，拓展到电子应用产品、专用设备、仪器仪表、高低压成套开关设备和加工服务、技术咨询。,浙江嘉康电子股份有限公司嘉康电子股份有限公司创立于1986年，是浙江省电子工业重点骨干企业，主要生产“嘉康”牌电子陶瓷元器件，是全国电子元器件百强企业。公司专业生产压电陶瓷谐振器、滤波器等产品，主要供通信、计算机、家用电器等整机配套使用。,6风华高科公司创立于1982年，是广东省电子工业重点骨干企业，主要生产各种电子陶瓷元器件，是全国电子元器件百强企业。公司专业生产压电陶瓷谐振器、滤波器等产品，主要供通信、计算机、家用电器等整机配套使用。,7、广东汕头超声电子股份有限公司是我国最早研制和生产超声仪器和换能器的厂家。产品的技术水平、产销量居国内领先地位，是我国超声检测仪器制造行业的龙头企业。累计至今已有80多个型号的超声仪器投产，产销量达10多万台累计至今已有四大系列、三百多个型号的超声换能器产品投产，产销量约55万只。被誉为“中国超声第一家”。,第一章电子陶瓷概述,作业：一、简述陶瓷发展的几个重要的发展阶段及中国对陶瓷发展的主要贡献。二、电子陶瓷有哪些主要种类？请你举一例说明电子陶瓷在现代工业、国防或科技方面的应用。三、试分析一家著名电子陶瓷公司的21世纪电子陶瓷材料与产品发展战略。,第一章电子陶瓷概述,1.4电子陶瓷未来的发展展望进入21世纪以来，由于计算机硬件、通讯工程及传感技术的研究和发展，对电子陶瓷的数量、质量、品种、形态以及功能等方面不断提出了新的要求。目前，电子陶瓷及其应用正朝着高效能、高可靠性、高灵敏、高精度、微型化、多功能、智能化、集成化以及低成本的方向发展。,第一章电子陶瓷概述,1.4.1微波介质陶瓷与元器件微波介质陶瓷是一类高频、低损耗、温度稳定型电介质陶瓷材料。广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电器以及微波基板等，是移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLAN）等现代微波通讯的关键材料。,第一章电子陶瓷概述,微波介质陶瓷可大致分为五类：（1）超低损耗（=2030，Q20000（10GHz），主要用于卫星通讯）；（2）低介电常数（10，主要用于微波基板及高端微波元件）；（3）中介电常数（=3040，主要用于卫星通讯及移动通讯基站）；（4）高介电常数（80，主要用于移动电话）；（5）高调谐率（=（E）-（0）/（0），主要用于可调谐振器、移动相器以及可调微波电容器等。）,第一章电子陶瓷概述,1.4.2片式陶瓷元器件目前，电子陶瓷元件的市场需求巨大，发展迅速。以片式电容（MLCC）为例，需求量以每年20%30%迅速增长，2002年全世界总产量为7000多亿支。而国际市场每年对片式电感需求也超过100亿支。高性能、高比容、小型化、超薄层、高层数、低成本是多层片式无件的发展趋势。特别是中高压MLCC，在军事、航天、通讯领域应用广泛，对国防、航空事业关系重大。,第一章电子陶瓷概述,1.4.3高性能高温压电陶瓷材料随着钢铁、化工、能源、航空航天等工业的发展，需要高精度驱动器、探测换能器和传感器等压电器件在高温（可达600800）恶劣环境中工作。航空器引擎的振动控制、运载液态（蒸气）金属管道的无损探伤、钢铁和化工工业热网、电网以及核电工业的高温流量探测和控制、焊接管道的无损探伤、高精度传感驱动器件等领域，对压电材料的高温应用都提出了迫切的要求。,目前研制的高温压电材料普遍具有压电活性低、高温电阻小、“性能-温度”系数大、高温长期服役稳定性差等缺点。在实际应用中，必须使压电器件的测量和工作点都远离居里温度，大大降低了高温压电器件的实际应用价值。因此继续提高压电材料的使用温度，使之可以为我国能源、通信、航空、航天、航海、石油控测、冶金、导弹制导等重要领域的高温应用提供高性能高温压电陶瓷材料和新结构器件，其市场前景非常广阔。,第一章电子陶瓷概述,1.4.4无铅压电陶瓷材料目前大规模使用的压电陶瓷材料主要是铅基压陶瓷，其中PbO（或Pb3O4）约占原料总质量的60%70%左右。这些含铅压电陶瓷材料在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境带来严重危害。为了保护地球和人类的生存空间，防止环境污染，研究和开发无铅压电陶瓷材料是一项具有重大社会和经济意义的课题。,第一章电子陶瓷概述,无铅压电陶瓷主要有以下体系：BaTiO3基无铅压电陶瓷；（Na0.5Bi0.5）TiO3(K0.5Bi0.5)TiO3，Bi4Ti3O12系压电陶瓷；铌酸盐系无铅压电陶瓷铋层状结构无铅高温材料。铌酸盐系统压电陶瓷是频率器件候选材料，铋系层状结构无铅压电陶瓷则主要应用于高温压电传感器。,第一章电子陶瓷概述,1.4.5热电转换材料热电材料，可使热转化为电，不产生废物、无声、高可靠性、是一种新型清洁发电方式。热电制冷器件不使用转动部件，具有体积小、寿命长、无污染、容易实现精确控温等特点，作为局部高精度温控有着广泛的应用前景。热电转换技术的关键在于导求优良的热电材料。过去已发现的材料存在不稳定的缺点，如：易蒸发、表面氧化、高温下分解及熔融。而金属氧化物热电材料则较稳定。,热电材料以性能指数Z来评价式中S热电功率；电阻率；热传导率。好的热电材料应为：S大而及小，使Z大；ZT1,1997年人们发现金属氧化物NaCoO4具有很好的热电性，甚至超过代表性的热电材料B2Te3，且较稳定。近35年内，发现多种金属氧化物热电材料如：NaCo2O4，CaCoO3xCoO2，Bi2Sr2O4xCoO2，Ni1-xLixO-Ba1-xSrxPbO3，Bi2.3-xPbxSr2.6Co2Oy等。除氧化物以外，还有CoSb3,ZnSb3等材料。,第一章电子陶瓷概述,1.4.6电子陶瓷膜材料微机电系统（micro-electro-mechanicalsystemMEMS）是把微机械传感器和驱动（执行）元件与传统的集成电路组合起来的核心技术，是21世纪前50年信息技术革命的核心。其中，传感器和驱动器是这一技术革命的心脏。MEMS器件用材料有Si、SiO2、Si3N4聚合物、铁电陶瓷、形状记忆合金和化学敏感材料等。,第一章电子陶瓷概述,铁电陶瓷材料功耗低，噪声小，能量密度大；其优异的压电和热释电性能是MEMS系统中微传感器和微驱动器的理想材料体块陶瓷尺寸大、工作电压高，其中，110m以至更厚的陶瓷膜材料是近年来研究的新热点。厚膜材料可以增加驱动器单位体积的输出力，降低传感器的噪声、工作电压低、重量轻、体积小、成本低、易于与VLSI工艺兼容。,第一章电子陶瓷概述,目前广泛应用的制备技术为溅射、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)及脉冲激光沉积(PLD)等，其中金属有机化学气相沉积（MOCVD）的遮盖性好，为制造三维器件所不可缺的重要成膜工艺。膜材料和体材料差别很大，如薄膜BaTiO3中要获得半导化所需掺铌量为体材料中掺入量的10倍。又如在Ba0.5Sr0.5TiO3在SrTiO3衬底上外延生长成膜，在膜平面内方向，有强的压应力，与它有相同组成的体材料，室温时为顺电体，而膜材料则显铁电性，这是因这衬底和介质之间有二维应力。,第一章电子陶瓷概述,在衬底表面引入晶种，可降低薄膜的结晶温度。2004年11月美国科学杂志刊登美、德、中等13位科学家联名发表文章称：利用合适的衬底，控制膜的厚度，改变膜的应变，可使BaTiO3膜的居里温度T。从120提高到400540，剩余极化Pr达5070C/cm2。此项成果为近10年来铁电膜材料的重大进展。,第一章电子陶瓷概述,1.4.6电子陶瓷膜材料微机电系统（micro-electro-mechanicalsystemMEMS）是把微机械传感器和驱动（执行）元件与传统的集成电路组合起来的核心技术，是2