材料科学前沿之功能陶瓷

“材料科学前沿”─功能陶瓷代建清一、引言二、功能陶瓷的研究现状三、功能陶瓷的发展趋势四、共性科学问题材料：无机材料和有机材料；无机材料中除金属以外的材料都是无机非金属材料。1、材料科学技术的主要发展趋势：1）材料科学技术更加注重多学科的交叉与综合；2）材料的合成及制备科学技术得到高度重视；3）材料表征和评价科学技术是新材料发展的重要基础；4）材料设计与性能预测科学技术发展迅速；5）纳米材料科学技术的发展特别引人关注；6）向高性能、低成本和复合化、集成化、低维化、智能化方向发展；7）新材料发展与基础和传统材料的改进、更新、提高之间相互促进；8）材料及其制品与生态环境和生态资源的协调性，与人类社会可持续发展的关系备受重视。一、引言2、无机非金属材料：最初只包括传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料；随科技发展，半导体、先进结构陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶体、非晶态材料、碳素材料等也都纳入其中。1）传统无机非金属材料是国家基本建设所必须的基础材料，量大面广，其质量提升和性能改进都将产生重大的经济效益和社会效益，2）无机非金属新材料，如片式电子陶瓷元器件材料、光纤放大器材料、白光发光二极管、激光透明陶瓷、巨磁阻材料、生物医用材料等，在形成高技术产业、改造传统产业、节能和建立新能源、环保和节约资源等方面都对国民经济和社会进步发挥着重要作用。3）无机非金属材料的高硬度、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐磨和优异的环保性能以及特殊的光声、电等性能，在航空航天、兵器、舰船等国防领域得到越来越多的应用，如陶瓷基复合材料、结构陶瓷、特种功能陶瓷、人工晶体、石英玻璃等已成为武器装备中不可或缺的关键材料。无机非金属材料对国防建设发挥着越来越重要的作用。3、无机非金属材料学科的共性科学问题：l）无机非金属材料合成与制备的科学技术；2）材料设计与性能预测的理论与模型；3）材料组成和微结构表征及其与材料性质和使用性能的关联；4）材料界面和表面结构及其与材料特性和应用的关联；5）纳米材料的合成、组装、特性预测、性能调控与器件设计；6）功能材料的电子态及其与光电功能特性的关联和规律；7）物性多尺度耦合机制及相关理论；8）材料缺陷及掺杂行为与物性设计；9）材料非平衡、非线性、非均匀的机制与相关理论；10）新材料、新效应、新器件、新应用中的基础问题。4、功能陶瓷材料：1）功能陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料。2）主要包括铁电、压电、介电、半导体、超导和磁性陶瓷等。大部分功能陶瓷广泛应用于电子工业，是电子信息技术中基础元器件的关键材料，占先进陶瓷工业市场份额的80%。3）功能陶瓷是电子信息、集成电路、计算机、通讯广播、自动控制、航空航天、海洋探测、激光技术、精密仪器、汽车、能源、核技术和生物医学等近代高技术领域的关键材料.4）功能陶瓷的特点：成分可控性、结构宽容性、性能多样性、应用广泛性据功能陶瓷组成、结构的易调性和可靠性：可制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷据功能陶瓷的能量转换和耦合特性：可制备压电、光电、热点、磁电和铁电等陶瓷据对外场的敏感效应：可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏、电压敏和光敏等敏感陶瓷VariouseffectsinmaterialsINPUTMaterialDeviceOUTPUTOUTPUTINPUTCHARGECURRENTMAGNETIZATIONSTRAINTEMPERATURELIGHTELEC.FIELDPermittivityConductivityElec.-mag.effectConversepiezo-effectElec.CaloriceffectElec.-opticeffectMAG.FIELDMag.-elect.effectPermeabilityMagnetostrictionMag.CaloriceffectMag.-opticeffectSTRESSPiezoelectriceffectPiezomag.effectElasticconstant--PhotoelasticeffectHEATPyroelectriceffect--ThermalexpansionSpecificheat--LIGHTPhotovoltaiceffect--Photostrction--Refractiveindex功能陶瓷材料及市场需求铁电材料压电材料导电材料磁性材料热电材料介电材料半导体材料光电材料2000年度对新型功能器件的市场需求示意图7.0%6.0%12.0%4.0%71.0%SensitivedevicesThickfilmHICLEDchipsElectrical&electronicdevicesSMD5）电子陶瓷及元器件领域创新活跃、竞争激烈★世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发，每年都有大量新型功能陶瓷材料及其元器件问世。★在功能陶瓷的研究和开发方面，美国和日本走在世界前列。日本：依靠其超大规模生产和先进制备技术在世界电子陶瓷市场中占主导地位，占有世界电子陶瓷市场60％以上的份额。美国：研究力量雄厚，在基础研究和新材料开发方面领先，其产品侧重于高技术和军事工程，在水声、电光、光电子、红外技术和半导体封装等领域处于优势。韩国：近年来在电子陶瓷领域发展迅速，引人注目。1．装置陶瓷1）主要包括用于电子技术、微电子技术和光电子技术中起电绝缘作用的陶瓷装置零件、陶瓷基片以及多层陶瓷封装等。2）装置陶瓷是功能陶瓷中市场份额最大的一类材料，大体上约占1/4以上。最常用的装置陶瓷有氧化铝陶瓷、堇青石瓷、橄榄石瓷、氧化铍瓷等。近年来一些新型绝缘陶瓷材料相继开发成功，并得到了快速发展，如高热导氮化铝陶瓷基片和低温共烧陶瓷材料已在先进陶瓷封装和陶瓷集成领域获得应用。3）近年来我国在装置陶瓷，特别是在陶瓷基片和封装材料应用开发方面取得很大进展，例如，将先进成型工艺技术引入到陶瓷基片的研究和生产中，先后开发成功流延成型的无毒料浆新体系和水系胶态注模成型新工艺，对环保和降低成本效果显著。二、功能陶瓷的研究现状2．电容器陶瓷1）分为高频介质陶瓷（I类）、铁电介质陶瓷（II类）和半导体介质陶瓷（III类）。★I类陶瓷介质：主要用于制造高频电路中使用的陶瓷电容器，最常用的高频电容器陶瓷材料有金红石陶瓷、钛酸钙陶瓷、镁镧钛瓷、钙钛硅瓷、锆酸盐瓷等。★II类陶瓷介质：主要用于制造低频电路中使用的陶瓷电容器，目前以改性BaTiO3陶瓷为主。★III类陶瓷电容器：又称晶界层陶瓷电容器，其表观介电常数很高，主要是半导化的SrTiO3和BaTiO3陶瓷。2）片式多层陶瓷电容器（MLCC）成为陶瓷电容器的主流：★随电子信息技术日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，MLCC主要用于各类军用、民用电子整机中的振荡、藕合、滤波旁路电路中，应用领域拓展到自动仪表、计算机、手机、数字家电、汽车电器等行业。★MLCC在国际电子制造业中地位越来越重要，全球MLCC市场需求量，由1998年的3070亿只，增至2004年的8000多亿只，增长速度超过20%,2005年MLCC产品的全球市场需求高达9500亿只。★日本是MLCC的生产大国，日本的村田、TDK、太阳诱电、京瓷，韩国的三星电机，中国台湾的国巨、信昌等都是国际上著名的MLCC生产企业。★我国MLCC研究和生产起步于20世纪80年代中期，目前生产企业有20多家，但真正有生产规模的仅有广东风华等少数几个企业。3）小型化、大容量、贱金属化、高频化、集成复合化是MLCC的主流发展技术。★贱金属化是近年来发展最快的MLCC技术，采用贱金属内电极是降低MLCC成本的最有效途径，而实现贱金属化的关键是发展高性能抗还原BaTiO3瓷料。★日本的一些企业就已经开发出此项技术，并一直保持领先。目前大容量MLCC几乎全部实现了贱金属化。国内MLCC贱金属化起步较晚，但近年来在高品质抗还原瓷料和相关制备技术方面都取得重要突破，为大容量薄层化贱金属内电极MLCC提供了关键材料与技术。3．铁电压电陶瓷1）铁电陶瓷的基本特征是具有铁电性，即自发极化，且自发极化随外电场而转向，是高比容电容器的最佳介质材料。★目前BaTiO3陶瓷已广泛应用于多层陶瓷电容器、厚膜和薄膜电容器等。★利用铁电体所拥有的极化反转特性，发展了具有广阔应用前景的铁电薄膜存储器和各种电光器件；★经极化处理的铁电陶瓷所表现出优异的压电和热释电性能，据此发展了各种压电陶瓷驱动器、传感器，在现代先进机电系统中有重要的应用前景。2）弛豫铁电体：某些具有复合钙钛矿结构的铁电体表现出不同于通常铁电体的介电特性，即具有扩散相变和频率弥散特性，这类铁电体通常称为弛豫铁电体。★弛豫铁电单晶和陶瓷具有优异的介电、铁电和压电性能，是重要的MLCC介质、压电和电致伸缩材料。★典型弛豫铁电体有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3等。★近年来在铁电材料研究中取得的一个重大进展是大尺寸弛豫铁电单晶材料的制备及其异常高的压电性能的发现。3）压电陶瓷作为一种重要的换能材料，以其优良的机电藕合效应得到广泛应用。★应用领域涵盖电子信息、机电换能、自动控制以及微机电系统，包括压电振子、压电换能器、压电滤波器、高压发生器和压电驱动器等在内的种类繁多的压电陶瓷器件。★压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15％左右的速度增长，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。★随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，压电陶瓷器件也在向片式化、多层化和微型化方向发展。★近年来，包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波（SAW）器件等一些新型压电陶瓷器件不断研制成功，并得到应用。4．微波介质陶瓷1）微波介质陶瓷是指适合于微波频段应用的低损耗、温度稳定型电介质陶瓷材料★是移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网(WLAN）等现代微波通信的关键材料。★广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板。★由微波介质陶瓷构成的谐振器、滤波器及振荡器等元器件，在很大程度上决定了微波通信最终产品的性能、成本与尺寸极限。2）微波介质陶瓷的主要性能要求是：适当的介电常数、高Q值（低介电损耗）和近零谐振温度系数f。根据其性能与用途，微波介质陶瓷可分为五类：①超低损耗类。主要是钡基复合钙钛矿陶瓷，其性能指标为=20~30，在10GHz时，Q20000，-5×10-6f5×10-6/℃，主要用于卫星通信。②中介电常数类。包括BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr,Sn)TiO4及部分钡基复合钙钛矿陶瓷，其性能指标为=30~40，在4GHz时,Q5000，-10×10-6f10×10-6/℃，主要用于卫星通信及移动通信基站。③高介电常数类。BaO-Ln2O3-TiO2基材料，Ln=La、Nd、Sm，其性能指标为＞80，在1GHz时，Q=5000~10000，-10×10-6f10×10-6/℃，主要用于移动电话。④低介电常数类。主要有Al2O3陶瓷等，其性能指标为＜10，在10GHz时，Q20000，-5×10－6f5×10－6/℃，主要用于微波基板及高端微波元件。⑤非线性类。目前有电场可调或称频率捷变微波介质陶瓷，其材料体系有（Ba,Sr)TiO3等，主要用于可调谐振器、移相器以及可调微波电容器等。非线性微波介质陶瓷的性能要求与线性材料略有不同，对前者主要性能要求有：高调谐率=［(E)-(0)］/(0)、低损耗与良好的温度稳定性。3）目前日本在微波介质陶瓷领域处于明显优势，随第三代移动通信与数据微波通信的发展，美、日、欧均在调整这一高技术领域的发展战略。★美国将战略重点置于非线性微波介质陶瓷与高介电常数微波介质陶瓷方面；