材料科學(xué)前沿之功能陶瓷

“材料科學(xué)前沿”─功能陶瓷代建清一、引言二、功能陶瓷的研究現(xiàn)狀三、功能陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)四、共性科學(xué)問(wèn)題材料：無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料；無(wú)機(jī)材料中除金屬以外的材料都是無(wú)機(jī)非金屬材料。1、材料科學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)：

1）材料科學(xué)技術(shù)更加注重多學(xué)科的交叉與綜合；2）材料的合成及制備科學(xué)技術(shù)得到高度重視；3）材料表征和評(píng)價(jià)科學(xué)技術(shù)是新材料發(fā)展的重要基礎(chǔ)；4）材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速；5）納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別引人關(guān)注；6）向高性能、低成本和復(fù)合化、集成化、低維化、智能化方向發(fā)展；7）新材料發(fā)展與基礎(chǔ)和傳統(tǒng)材料的改進(jìn)、更新、提高之間相互促進(jìn)；8）材料及其制品與生態(tài)環(huán)境和生態(tài)資源的協(xié)調(diào)性，與人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系備受重視。一、引言2、無(wú)機(jī)非金屬材料：

最初只包括傳統(tǒng)的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料；隨科技發(fā)展，半導(dǎo)體、先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶體、非晶態(tài)材料、碳素材料等也都納入其中。1）傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料是國(guó)家基本建設(shè)所必須的基礎(chǔ)材料，量大面廣，其質(zhì)量提升和性能改進(jìn)都將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，2）無(wú)機(jī)非金屬新材料，如片式電子陶瓷元器件材料、光纖放大器材料、白光發(fā)光二極管、激光透明陶瓷、巨磁阻材料、生物醫(yī)用材料等，在形成高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能和建立新能源、環(huán)保和節(jié)約資源等方面都對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。3）無(wú)機(jī)非金屬材料的高硬度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨和優(yōu)異的環(huán)保性能以及特殊的光聲、電等性能，在航空航天、兵器、艦船等國(guó)防領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，如陶瓷基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、特種功能陶瓷、人工晶體、石英玻璃等已成為武器裝備中不可或缺的關(guān)鍵材料。無(wú)機(jī)非金屬材料對(duì)國(guó)防建設(shè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。3、無(wú)機(jī)非金屬材料學(xué)科的共性科學(xué)問(wèn)題：l）無(wú)機(jī)非金屬材料合成與制備的科學(xué)技術(shù)；2）材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)的理論與模型；3）材料組成和微結(jié)構(gòu)表征及其與材料性質(zhì)和使用性能的關(guān)聯(lián)；4）材料界面和表面結(jié)構(gòu)及其與材料特性和應(yīng)用的關(guān)聯(lián)；5）納米材料的合成、組裝、特性預(yù)測(cè)、性能調(diào)控與器件設(shè)計(jì)；6）功能材料的電子態(tài)及其與光電功能特性的關(guān)聯(lián)和規(guī)律；7）物性多尺度耦合機(jī)制及相關(guān)理論；8）材料缺陷及摻雜行為與物性設(shè)計(jì)；9）材料非平衡、非線性、非均勻的機(jī)制與相關(guān)理論；10）新材料、新效應(yīng)、新器件、新應(yīng)用中的基礎(chǔ)問(wèn)題。4、功能陶瓷材料：1）功能陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)等功能為主要特征的陶瓷材料。2）主要包括鐵電、壓電、介電、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和磁性陶瓷等。大部分功能陶瓷廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，是電子信息技術(shù)中基礎(chǔ)元器件的關(guān)鍵材料，占先進(jìn)陶瓷工業(yè)市場(chǎng)份額的80%。3）功能陶瓷是電子信息、集成電路、計(jì)算機(jī)、通訊廣播、自動(dòng)控制、航空航天、海洋探測(cè)、激光技術(shù)、精密儀器、汽車、能源、核技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等近代高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料.4）功能陶瓷的特點(diǎn)：成分可控性、結(jié)構(gòu)寬容性、性能多樣性、應(yīng)用廣泛性

據(jù)功能陶瓷組成、結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可靠性：可制備超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)性、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷

據(jù)功能陶瓷的能量轉(zhuǎn)換和耦合特性：可制備壓電、光電、熱點(diǎn)、磁電和鐵電等陶瓷

據(jù)對(duì)外場(chǎng)的敏感效應(yīng)：可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏、電壓敏和光敏等敏感陶瓷功能陶瓷材料及市場(chǎng)需求

鐵電材料壓電材料導(dǎo)電材料磁性材料熱電材料介電材料半導(dǎo)體材料光電材料功能陶瓷2000年度對(duì)新型功能器件的市場(chǎng)需求示意圖5）電子陶瓷及元器件領(lǐng)域創(chuàng)新活躍、競(jìng)爭(zhēng)激烈★世界各國(guó)元器件生產(chǎn)企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備方面投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)，每年都有大量新型功能陶瓷材料及其元器件問(wèn)世?！镌诠δ芴沾傻难芯亢烷_發(fā)方面，美國(guó)和日本走在世界前列。日本：依靠其超大規(guī)模生產(chǎn)和先進(jìn)制備技術(shù)在世界電子陶瓷市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，占有世界電子陶瓷市場(chǎng)60％以上的份額。美國(guó)：研究力量雄厚，在基礎(chǔ)研究和新材料開發(fā)方面領(lǐng)先，其產(chǎn)品側(cè)重于高技術(shù)和軍事工程，在水聲、電光、光電子、紅外技術(shù)和半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)。韓國(guó)：近年來(lái)在電子陶瓷領(lǐng)域發(fā)展迅速，引人注目。1．裝置陶瓷1）主要包括用于電子技術(shù)、微電子技術(shù)和光電子技術(shù)中起電絕緣作用的陶瓷裝置零件、陶瓷基片以及多層陶瓷封裝等。2）裝置陶瓷是功能陶瓷中市場(chǎng)份額最大的一類材料，大體上約占1/4以上。最常用的裝置陶瓷有氧化鋁陶瓷、堇青石瓷、橄欖石瓷、氧化鈹瓷等。近年來(lái)一些新型絕緣陶瓷材料相繼開發(fā)成功，并得到了快速發(fā)展，如高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷基片和低溫共燒陶瓷材料已在先進(jìn)陶瓷封裝和陶瓷集成領(lǐng)域獲得應(yīng)用。3）近年來(lái)我國(guó)在裝置陶瓷，特別是在陶瓷基片和封裝材料應(yīng)用開發(fā)方面取得很大進(jìn)展，例如，將先進(jìn)成型工藝技術(shù)引入到陶瓷基片的研究和生產(chǎn)中，先后開發(fā)成功流延成型的無(wú)毒料漿新體系和水系膠態(tài)注模成型新工藝，對(duì)環(huán)保和降低成本效果顯著。二、功能陶瓷的研究現(xiàn)狀2．電容器陶瓷1）分為高頻介質(zhì)陶瓷（I類）、鐵電介質(zhì)陶瓷（II類）和半導(dǎo)體介質(zhì)陶瓷（III類）?！颕類陶瓷介質(zhì)：主要用于制造高頻電路中使用的陶瓷電容器，最常用的高頻電容器陶瓷材料有金紅石陶瓷、鈦酸鈣陶瓷、鎂鑭鈦瓷、鈣鈦硅瓷、鋯酸鹽瓷等?！颕I類陶瓷介質(zhì)：主要用于制造低頻電路中使用的陶瓷電容器，目前以改性BaTiO3陶瓷為主?！颕II類陶瓷電容器：又稱晶界層陶瓷電容器，其表觀介電常數(shù)很高，主要是半導(dǎo)化的SrTiO3和BaTiO3陶瓷。2）片式多層陶瓷電容器（MLCC）成為陶瓷電容器的主流：★隨電子信息技術(shù)日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，MLCC主要用于各類軍用、民用電子整機(jī)中的振蕩、藕合、濾波旁路電路中，應(yīng)用領(lǐng)域拓展到自動(dòng)儀表、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)字家電、汽車電器等行業(yè)?！颩LCC在國(guó)際電子制造業(yè)中地位越來(lái)越重要，全球MLCC市場(chǎng)需求量，由1998年的3070億只，增至2004年的8000多億只，增長(zhǎng)速度超過(guò)20%,2005年MLCC產(chǎn)品的全球市場(chǎng)需求高達(dá)9500億只?！锶毡臼荕LCC的生產(chǎn)大國(guó)，日本的村田、TDK、太陽(yáng)誘電、京瓷，韓國(guó)的三星電機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣的國(guó)巨、信昌等都是國(guó)際上著名的MLCC生產(chǎn)企業(yè)?！镂覈?guó)MLCC研究和生產(chǎn)起步于20世紀(jì)80年代中期，目前生產(chǎn)企業(yè)有20多家，但真正有生產(chǎn)規(guī)模的僅有廣東風(fēng)華等少數(shù)幾個(gè)企業(yè)。3）小型化、大容量、賤金屬化、高頻化、集成復(fù)合化是MLCC的主流發(fā)展技術(shù)。

★賤金屬化是近年來(lái)發(fā)展最快的MLCC技術(shù)，采用賤金屬內(nèi)電極是降低MLCC成本的最有效途徑，而實(shí)現(xiàn)賤金屬化的關(guān)鍵是發(fā)展高性能抗還原BaTiO3瓷料。

★日本的一些企業(yè)就已經(jīng)開發(fā)出此項(xiàng)技術(shù)，并一直保持領(lǐng)先。目前大容量MLCC幾乎全部實(shí)現(xiàn)了賤金屬化。國(guó)內(nèi)MLCC賤金屬化起步較晚，但近年來(lái)在高品質(zhì)抗還原瓷料和相關(guān)制備技術(shù)方面都取得重要突破，為大容量薄層化賤金屬內(nèi)電極MLCC提供了關(guān)鍵材料與技術(shù)。3．鐵電壓電陶瓷1）鐵電陶瓷的基本特征是具有鐵電性，即自發(fā)極化，且自發(fā)極化隨外電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向，是高比容電容器的最佳介質(zhì)材料?！锬壳癇aTiO3陶瓷已廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器、厚膜和薄膜電容器等?！锢描F電體所擁有的極化反轉(zhuǎn)特性，發(fā)展了具有廣闊應(yīng)用前景的鐵電薄膜存儲(chǔ)器和各種電光器件；★經(jīng)極化處理的鐵電陶瓷所表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電和熱釋電性能，據(jù)此發(fā)展了各種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、傳感器，在現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用前景。

2）弛豫鐵電體：某些具有復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體表現(xiàn)出不同于通常鐵電體的介電特性，即具有擴(kuò)散相變和頻率彌散特性，這類鐵電體通常稱為弛豫鐵電體?！锍谠ヨF電單晶和陶瓷具有優(yōu)異的介電、鐵電和壓電性能，是重要的MLCC介質(zhì)、壓電和電致伸縮材料?！锏湫统谠ヨF電體有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3等?！锝陙?lái)在鐵電材料研究中取得的一個(gè)重大進(jìn)展是大尺寸弛豫鐵電單晶材料的制備及其異常高的壓電性能的發(fā)現(xiàn)。3）壓電陶瓷作為一種重要的換能材料，以其優(yōu)良的機(jī)電藕合效應(yīng)得到廣泛應(yīng)用?！飸?yīng)用領(lǐng)域涵蓋電子信息、機(jī)電換能、自動(dòng)控制以及微機(jī)電系統(tǒng)，包括壓電振子、壓電換能器、壓電濾波器、高壓發(fā)生器和壓電驅(qū)動(dòng)器等在內(nèi)的種類繁多的壓電陶瓷器件?！飰弘娞沾勺鳛橹匾墓δ懿牧显陔娮硬牧项I(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。近幾年來(lái)，壓電陶瓷在全球每年銷售量按15％左右的速度增長(zhǎng)，2000年全球壓電陶瓷產(chǎn)品銷售額約達(dá)30億美元以上?！镫S著電子整機(jī)向數(shù)字化、高頻化、多功能化和薄、輕、小、便攜式的方向發(fā)展，壓電陶瓷器件也在向片式化、多層化和微型化方向發(fā)展。★近年來(lái)，包括多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū)動(dòng)器、片式化壓電頻率器件、聲表面波（SAW）器件等一些新型壓電陶瓷器件不斷研制成功，并得到應(yīng)用。4．微波介質(zhì)陶瓷1）微波介質(zhì)陶瓷是指適合于微波頻段應(yīng)用的低損耗、溫度穩(wěn)定型電介質(zhì)陶瓷材料★是移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、藍(lán)牙技術(shù)以及無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN）等現(xiàn)代微波通信的關(guān)鍵材料?！飶V泛應(yīng)用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器以及微波基板。★由微波介質(zhì)陶瓷構(gòu)成的諧振器、濾波器及振蕩器等元器件，在很大程度上決定了微波通信最終產(chǎn)品的性能、成本與尺寸極限。2）微波介質(zhì)陶瓷的主要性能要求是：適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)

、高Q值（低介電損耗）和近零諧振溫度系數(shù)

f。根據(jù)其性能與用途，微波介質(zhì)陶瓷可分為五類：①超低損耗類。主要是鋇基復(fù)合鈣鈦礦陶瓷，其性能指標(biāo)為=20~30，在10GHz時(shí)，Q>20000，-5×10-6<

f<5×10-6/℃，主要用于衛(wèi)星通信。②中介電常數(shù)類。包括BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr,Sn)TiO4及部分鋇基復(fù)合鈣鈦礦陶瓷，其性能指標(biāo)為=30~40，在4GHz時(shí),Q>5000，-10×10-6<

f<10×10-6/℃，主要用于衛(wèi)星通信及移動(dòng)通信基站。③高介電常數(shù)類。BaO-Ln2O3-TiO2基材料，Ln=La、Nd、Sm，其性能指標(biāo)為

＞80，在1GHz時(shí)，Q=5000~10000，-10×10-6<

f<10×10-6/℃，主要用于移動(dòng)電話。④低介電常數(shù)類。主要有Al2O3陶瓷等，其性能指標(biāo)為

＜10，在10GHz時(shí)，Q>20000，-5×10－6<

f<5×10－6/℃，主要用于微波基板及高端微波元件。⑤非線性類。目前有電場(chǎng)可調(diào)或稱頻率捷變微波介質(zhì)陶瓷，其材料體系有（Ba,Sr)TiO3等，主要用于可調(diào)諧振器、移相器以及可調(diào)微波電容器等。非線性微波介質(zhì)陶瓷的性能要求與線性材料略有不同，對(duì)前者主要性能要求有：高調(diào)諧率

=［

(E)-

(0)］/

(0)、低損耗與良好的溫度穩(wěn)定性。3）目前日本在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域處于明顯優(yōu)勢(shì)，隨第三代移動(dòng)通信與數(shù)據(jù)微波通信的發(fā)展，美、日、歐均在調(diào)整這一高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略?！锩绹?guó)將戰(zhàn)略重點(diǎn)置于非線性微波介質(zhì)陶瓷與高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷方面；歐洲著重于固定頻率諧振器用材料；日本則利用其產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)正在大力推進(jìn)微波介質(zhì)陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)化與高品質(zhì)化；韓國(guó)近年來(lái)在該領(lǐng)域發(fā)展也十分迅速?！镂覈?guó)在高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的低損耗化、低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷新體系以及低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷等方面有一定優(yōu)勢(shì)，并逐漸形成研究特色，但在微波介質(zhì)陶瓷及器件的產(chǎn)司業(yè)化規(guī)模和技術(shù)水平方面與國(guó)外相比有較大差距。微波介質(zhì)陶瓷

諧振器件介質(zhì)波導(dǎo)

微波天線微波濾波器介質(zhì)基片介質(zhì)電容器5．半導(dǎo)體陶瓷1）半導(dǎo)體陶瓷是一類能將力、熱、聲、光、電、濕、氣等物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的信息功能陶瓷材料★是集固體電子學(xué)、材料學(xué)、結(jié)晶化學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)等為一體的交叉性學(xué)科，是20世紀(jì)70~80年代逐漸發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科?！镏饕ㄕ郎囟认禂?shù)熱敏電阻（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和壓敏電阻材料，以及氣敏、濕敏等材料?！锲渲袩崦籼沾珊蛪好籼沾傻漠a(chǎn)量和產(chǎn)值最高。熱敏電阻陶瓷材料及器件在國(guó)際上以美國(guó)VISHAY，德國(guó)EPCOS，日本村田、TDK、石冢、芝浦、三菱等公司的技術(shù)最先進(jìn)，產(chǎn)量最大，他們的年產(chǎn)量約占世界總量的60~80%，其產(chǎn)品質(zhì)量好，但價(jià)格高。2）熱敏電阻器向高性能、高可靠、高精度、片式化和規(guī)?；较虬l(fā)展★適用高亮度、大屏幕彩電、彩顯需要的消磁電路用PTC，正向高電壓、低電阻方向發(fā)展。日本村田和三菱等公司的片式熱敏電阻器已規(guī)?；a(chǎn)，片式NTC和片式PTC的最小尺寸規(guī)格已達(dá)0402和0201?！锬壳拔覈?guó)熱敏電阻器的生產(chǎn)廠家有40余家，但生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模與國(guó)外廠家相比有較大差距。6．超導(dǎo)陶瓷1）超導(dǎo)材料在能源、信息、交通、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國(guó)防軍工、大型科學(xué)工程等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。全球超導(dǎo)材料市場(chǎng)需求達(dá)30多億美元，預(yù)計(jì)2020年全世界超導(dǎo)材料應(yīng)用市場(chǎng)達(dá)2400億美元。2）1986年，IBM瑞士蘇黎世研究院的Müller和Bednorz報(bào)道了在La-Ba-Cu-O化合物中觀察到30K以上超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的歷史性發(fā)現(xiàn)，揭開了席卷全球的高溫超導(dǎo)熱潮，他們因此榮獲1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達(dá)130K以上。3)國(guó)際上關(guān)于超導(dǎo)電性的研究和應(yīng)用開發(fā)向縱深發(fā)展：★深入發(fā)展高溫超導(dǎo)物理研究、高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)、超導(dǎo)結(jié)技術(shù)和微加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，高溫超導(dǎo)在科學(xué)儀器、通信技術(shù)、軍用電子學(xué)、醫(yī)療儀器等方面的應(yīng)用將會(huì)在10年左右時(shí)期內(nèi)有一定規(guī)模的發(fā)展?！锔邷爻瑢?dǎo)電性的微觀機(jī)理和高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)物理為中心的基礎(chǔ)研究正在迅速深入，科學(xué)問(wèn)題的深化和科學(xué)內(nèi)容的豐富非常引人注目?！锝窈?0年左右將是高溫超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)研究取得突破、高溫超導(dǎo)技術(shù)真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)品化的關(guān)鍵時(shí)期。4)我國(guó)從20世紀(jì)60年代起開始超導(dǎo)研究，在80年代中期國(guó)際上高溫超導(dǎo)材料的重大突破中，我國(guó)科學(xué)家起了重要作用。目前，我國(guó)的超導(dǎo)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、加工和組織控制在世界上有一定地位?！镌贜bTi、Nb3Sn低溫超導(dǎo)材料的研究和開發(fā)方面，在國(guó)際超導(dǎo)界享有較高聲譽(yù)?！镌赮系、Bi系高溫超導(dǎo)材料與MgB2新型超導(dǎo)材料，Bi系銀套管制纜，量子干涉器件研制，大面積雙面高溫超導(dǎo)薄膜和微波技術(shù)應(yīng)用以及Y系單疇塊材等方面與國(guó)際先進(jìn)水平相近?！锘A(chǔ)研究方面，我國(guó)在新材料探索、材料結(jié)構(gòu)特征化、磁通動(dòng)力學(xué)和實(shí)用成材新技術(shù)的探索等方而也有一些在國(guó)際上有影響的成果?！锕に嚰夹g(shù)的成熟程度，向工業(yè)規(guī)?；平某潭鹊确矫媾c國(guó)外有較大差距。7．磁性陶瓷1)磁性陶瓷一般是由鐵和其他一種或多種金屬元素復(fù)合而成的氧化物，通常稱為鐵氧體，是具有亞鐵磁性的無(wú)機(jī)非金屬磁性材料。2)鐵氧體是磁性材料中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)分支：★對(duì)磁性陶瓷的大規(guī)模研究是在第二次世界大戰(zhàn)以后開展起來(lái)的。人們發(fā)現(xiàn)電感線圈鐵氧體磁性材料最重要的性能與損耗角和磁導(dǎo)率直接相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了Mn-Zn鐵氧體材料的發(fā)展。該材料具有高磁導(dǎo)率的同時(shí)又有低損耗因子，相關(guān)研究奠定了鐵氧體科學(xué)和工藝學(xué)的基礎(chǔ)，并由此而誕生了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)?！锵群箝_發(fā)出多種軟磁高頻低功耗、軟磁高磁導(dǎo)率、永磁、抗電磁干擾鐵氧體材料及元件，利用這些材料制作的電感器、濾波器、扼流圈、寬帶變壓器和脈沖變壓器，廣泛用于數(shù)字技術(shù)和光纖通信等高新技術(shù)領(lǐng)域?！锢梦⒉ㄨF氧體獨(dú)特的旋磁特性制造的非互易性微波器件，如環(huán)行器、隔離器、振蕩器和移相器，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用?！锊捎枚鄬犹沾杉夹g(shù)發(fā)展起來(lái)的疊層片式電感也已成為重要的片式元件，廣泛用于計(jì)算機(jī)、數(shù)字電視、手機(jī)、無(wú)線電話等電子終端設(shè)備。3)我在20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行磁性陶瓷的科學(xué)與技術(shù)研究，在永磁、磁記錄、矩磁、旋磁（微波）、磁泡、磁光材料等方面均有長(zhǎng)足發(fā)展。

★利用高溫高氧壓技術(shù)和溫度梯度定向凝固方法成功地生長(zhǎng)出Mn-Zn體系鐵氧體單晶；★利用熱壓和熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)獲得了Mn-Zn和Ni-Zn系列鐵氧體高密度磁頭材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了深入細(xì)致的研究?！镌趯?duì)石榴石型Y-La系列鐵氧體的磁性、鐵磁共振及其頻率的系統(tǒng)研究，石榴石型鐵氧體磁泡材料的制備、磁疇圖樣和布洛赫磁疇壁的穩(wěn)定性研究，以及Mg-Mn體系鐵氧體微波性能的改進(jìn)等方面都做出了卓有成效的研究工作?！锎艑W(xué)基本問(wèn)題的研究中，如通過(guò)對(duì)微波鐵氧體鐵磁共振弛豫理論、磁亞點(diǎn)陣等微觀結(jié)構(gòu)的研究，提出了新的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)?！镂覈?guó)的磁性陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，鐵氧體磁性材料的生產(chǎn)方面位于世界前列。8．其他功能陶瓷1）如快離子導(dǎo)電陶瓷、生物陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷、多功能復(fù)相陶瓷、梯度功能陶瓷、透明陶瓷、陶瓷光子晶體、微介孔陶瓷材料等。2）具有離子導(dǎo)電特性的陶瓷稱為離子導(dǎo)電陶瓷，可以應(yīng)用在固態(tài)電池、傳感器等方面?！锟祀x子導(dǎo)電陶瓷通常要求其離子電導(dǎo)率大于10-2S/cm，且電子電導(dǎo)很小，電導(dǎo)活化能應(yīng)小于0.5eV?！锬壳氨容^引人注目的快離子導(dǎo)電陶瓷主要有穩(wěn)定ZrO2、

-A12O3、nasicon以及CeO2基固溶體等陶瓷?！飳?dǎo)電陶瓷材料在具有清潔、高效特點(diǎn)的燃料電池，新型能源部件以及功能獨(dú)特的電色玻璃等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。3）生物陶瓷是具有特殊生理行為和功能的一類陶瓷材料，可用來(lái)構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至有望部分或整體地修復(fù)或替代人體的某些組織。最重要的特性是與人體組織的生物相容性?！锷锾沾煞譃樯锒栊蕴沾珊蜕锘钚蕴沾?，前者主要有氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷等，后者主要有磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等?！锷锾沾刹牧系幕A(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)相當(dāng)活躍，已有多種生物陶瓷材料及部件獲得了臨床應(yīng)用。

9、小結(jié)：1）功能陶瓷材料的各個(gè)分支都得到了快速發(fā)展，開始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能進(jìn)行材料設(shè)計(jì)?！锬蹜B(tài)物理學(xué)、固態(tài)化學(xué)、納米科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科所取得的研究成就對(duì)功能陶瓷的發(fā)展起到了推動(dòng)作用；★高活性納米粉體的應(yīng)用以及納米燒結(jié)動(dòng)力學(xué)的建立為功能陶瓷的微結(jié)構(gòu)調(diào)制和性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)；★功能陶瓷的研究已開始深入到介于宏觀與原子尺度之間的納米層次，納米功能陶瓷的研究和開發(fā)將使陶瓷工藝、燒結(jié)理論、性能和應(yīng)用包含更新的科學(xué)內(nèi)涵。2）我國(guó)在功能陶瓷材料的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化方面的發(fā)展：

★在功能陶瓷的各重要分支已經(jīng)形成了比較穩(wěn)定的研究格局。在電容器陶瓷、鐵電壓電陶瓷、微波介質(zhì)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、納米陶瓷、復(fù)相陶瓷、多功能復(fù)合陶瓷、陶瓷薄膜等方面均有一批研究工作進(jìn)入國(guó)際前沿。

★功能陶瓷基礎(chǔ)研究方面：在納米／亞微米晶功能陶瓷的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)原理和微結(jié)構(gòu)控制、弛豫鐵電體相變本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和微結(jié)構(gòu)研究、多層多相復(fù)合功能陶瓷的共燒動(dòng)力學(xué)行為與機(jī)制、多功能復(fù)合陶瓷的多場(chǎng)耦合效應(yīng)、低維鐵電材料的疇結(jié)構(gòu)觀測(cè)和尺度限制等方面均取得了重要研究成果。

★研制成功了一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型功能陶瓷材料和元器件，以及新的制備技術(shù)：①高純高活性納米粉體的合成、納米／亞微米晶陶瓷的制備和微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、BaTiO3陶瓷的抗還原特性和高溫缺陷化學(xué)原理等研究工作成果顯著，成功研制一批高性能賤金屬內(nèi)電極（BME）多層陶瓷電容器（MLCC）陶瓷材料和高介高穩(wěn)定性MLCC介質(zhì)瓷料，突破了新一代高性能BMEMLCC薄層化、微型化關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出若干種性能指標(biāo)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平的新型高性能多層陶瓷電容器，為我國(guó)多層陶瓷電容器向高性能、高比容、低成本為主要特征的賤金屬多層陶瓷電容器的升級(jí)換代提供了關(guān)鍵材料和技術(shù)。

②高性能壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)研究取得突破，通過(guò)過(guò)渡液相燒結(jié)機(jī)制的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研制成功主要性能指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平的低燒和高性能兼優(yōu)的新型壓電陶瓷材料，基于該材料研制成功的多層壓電陶瓷變壓器已實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，并在液晶顯示背光電源等方面獲得廣泛應(yīng)用。③低溫?zé)Y(jié)鐵氧體片式電感材料研究取得突破性進(jìn)展，通過(guò)納米粉體的合成和低溫?zé)Y(jié)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，研制成功幾類低燒和高性能兼優(yōu)的片式電感材料，其主要性能指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平，為我國(guó)新型片式電感類元件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

④高溫超導(dǎo)陶瓷的制備和應(yīng)用開發(fā)研究成果顯著，率先突破了超導(dǎo)陶瓷超長(zhǎng)線材的制備技術(shù)，使我國(guó)邁入高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的國(guó)際先進(jìn)行列，研制成功了高性能超導(dǎo)陶瓷濾波器系統(tǒng)，開始在CDMA移動(dòng)通信基站試用?！?/p>

總體來(lái)看，我國(guó)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，特別是一些具有高附加價(jià)值、高技術(shù)含量的新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎(chǔ)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差距，不少高端產(chǎn)品在相當(dāng)大的程度上為外資所控制。國(guó)外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來(lái)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)片式元器件，特別是高檔片式元器件相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。我國(guó)對(duì)信息功能陶瓷材料的共性、關(guān)鍵性的基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，原創(chuàng)性的工作較少，尤其在新一代信息功能陶瓷材料的前沿性領(lǐng)域，基礎(chǔ)研究工作亟待加強(qiáng)。1、總體發(fā)展趨勢(shì)l）小型化／微型化:★隨著移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信尤其是近兩年來(lái)藍(lán)牙、WAP、GPS等技術(shù)的迅速發(fā)展，在硬件上對(duì)器件小型化／微型化的要求越來(lái)越迫切;★電子元器件，特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無(wú)源器件是實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化／微型化的主要“瓶頸”;★小型化／微型化（包括片式化）是目前元器件研究開發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo),實(shí)現(xiàn)小型化／微型化的基礎(chǔ)在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米晶技術(shù)和相關(guān)工藝。2）高頻化與頻率系列化:★數(shù)字化技術(shù)的核心是將各種信息變成脈沖編碼信號(hào)，為了獲得足夠的帶寬和處理速度，要求較高的工作頻率。目前商品化的CPU時(shí)鐘頻率最高可達(dá)2~3GHz。移動(dòng)通信所使用的頻率也在不斷升高：以模擬信號(hào)的調(diào)制為主要特征的第一代移動(dòng)通信所用的頻段在800~900MHz，以數(shù)字信號(hào)為主要特征的第二代移動(dòng)通信所用的頻段則為900MHz~1.8GHz，目前正在研究的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的使用頻率則在2GHz左右?！镞m應(yīng)高的工作頻率對(duì)各類電子元器件中的陶瓷材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尋找具有良好高頻特性以及系列化工作頻率的功能陶瓷材料是目前新型電子元器件領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。三、功能陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)3）集成化／模塊化:★適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化和滿足高頻電路要求的一個(gè)途徑是將分立的陶瓷元件集成化以及進(jìn)一步的模塊化?！镌絹?lái)越多的集成陶瓷元件已被研制出來(lái)，如集成若干個(gè)高介陶瓷電容器和電感器的LC濾波器，集成若干個(gè)陶瓷電阻器、電容器和電感器的LCR組件（感容式電阻）等?！镒鳛閷?shí)現(xiàn)集成化／模塊化這一問(wèn)題的基礎(chǔ)是異質(zhì)材料的匹配共燒、化學(xué)兼容性和不同功能耦合與界面行為的相關(guān)性。4）多功能化:具有電、磁、光、熱、機(jī)耦合行為的新型多功能陶瓷材料及其耦合機(jī)制的研究日益為研究者所重視。5）高穩(wěn)定性:

★電子陶瓷元器件往往需要在不同外場(chǎng)環(huán)境（如不同溫度、電磁場(chǎng)以及機(jī)械振動(dòng)）條件下工作，要求元器件對(duì)上述條件的變化有高的穩(wěn)定性?！锲骷姆€(wěn)定性歸根到底是陶瓷材料的穩(wěn)定性，探索電子陶瓷材料的高穩(wěn)定性以及服役行為是追求的一個(gè)重要目標(biāo)。

2．功能納米陶瓷材料及新型納米陶瓷器件1）發(fā)展趨勢(shì)：功能納米陶瓷材料和納米技術(shù)涉及納米粉體、納米添加劑、納米復(fù)合以及陶瓷晶粒的納米化①隨著電子信息技術(shù)日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，使陶瓷元器件小型化、多層化、片式化、集成化和多功能化成為這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。元器件的微型化和介質(zhì)薄層化發(fā)展趨勢(shì)必然促使相關(guān)的功能陶瓷材料走向晶粒微細(xì)化和納米化。因此，功能材料納米化、納米陶瓷、納米器件是信息陶瓷元器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，正成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。②納米晶陶瓷發(fā)展的一個(gè)重要的推動(dòng)力來(lái)自功能陶瓷技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的集成化。面向鐵電存儲(chǔ)、紅外探測(cè)、微波調(diào)諧、激光調(diào)制和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)應(yīng)用的鐵電和壓電陶瓷的薄膜化成為當(dāng)前功能陶瓷領(lǐng)域最重要的研究方向之一，在半導(dǎo)體工藝和鐵電材料工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的集成鐵電學(xué)已發(fā)展成為電介質(zhì)物理學(xué)重要的分支。鐵電集成的核心是鐵電壓電陶瓷的薄膜化。薄膜化功能陶瓷的特征是在尺度上的納米化。③功能陶瓷的納米化是電子元器件微型化和集成化發(fā)展的必由之路，世界各國(guó)對(duì)納米功能陶瓷的研究和開發(fā)也給子了高度重視。2）重要科學(xué)問(wèn)題

(1）新型納米晶信息功能陶瓷材料的制備科學(xué)①信息功能陶瓷納米微粉的新的制備方法和原理；②功能陶瓷低維材料的制備技術(shù)和控制原理；③納米晶陶瓷致密塊體材料制備的控制燒結(jié)技術(shù)與燒結(jié)動(dòng)力學(xué)。

(2）納米晶信息功能陶瓷微結(jié)構(gòu)、尺寸效應(yīng)與外場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)問(wèn)題①納米尺寸下功能陶瓷微結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)控制與界面效應(yīng)；②納米晶鐵性材料的疇結(jié)構(gòu)控制、尺寸限制和外場(chǎng)響應(yīng)；③納米晶信息功能陶瓷的多場(chǎng)和強(qiáng)場(chǎng)響應(yīng)與調(diào)制。

(3）納米晶復(fù)相陶瓷、有機(jī)／無(wú)機(jī)納米復(fù)合功能材料等多層次復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備科學(xué)與功能效應(yīng)。

(4）納米晶信息功能陶瓷與微電子器件集成的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題

(5）納米晶陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算3．鐵電壓電陶瓷材料及新型元器件l）發(fā)展趨勢(shì)：壓電器件的小型化、片式化、薄膜化和集成化成為壓電陶瓷器件研究的新熱點(diǎn)；研究在各種苛刻環(huán)境（如深海、太空等）下工作的新型壓電器件①20世紀(jì)70年代初提出的準(zhǔn)同型相界(MPB)概念對(duì)于壓電陶瓷材料的研究和應(yīng)用開發(fā)發(fā)揮了重要的作用，近年來(lái)對(duì)壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界的特征和本質(zhì)又有了新的認(rèn)識(shí)。理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的進(jìn)展極大地推動(dòng)了對(duì)在準(zhǔn)同型相界附近鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電材料電場(chǎng)誘導(dǎo)相變和電疇組態(tài)變化過(guò)程的研究，期望能為設(shè)計(jì)和制造更好的陶瓷和單晶材料提供更多的理論指導(dǎo)。②近年來(lái)材料研究中取得的另一個(gè)重大進(jìn)展是大尺寸弛像鐵電單晶材料的制備及其異常壓電性能的發(fā)現(xiàn)。對(duì)于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的弛豫鐵電體與普通鐵電體固溶組成的材料在MPB的結(jié)構(gòu)變化、相組成、疇結(jié)構(gòu)的工程化調(diào)控應(yīng)該是當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)，在理論上和應(yīng)用背景上都有重要意義。③壓電陶瓷的無(wú)鉛化。發(fā)展非鉛系的環(huán)境協(xié)調(diào)性的壓電鐵電陶瓷具有重大實(shí)用意義，但至今還沒(méi)有能找到和PZT的性能相比較的材料。Saito等在Nature上發(fā)表文章，說(shuō)明通過(guò)摻少量的Li、Ta、Sb后通過(guò)（K，Na)NbO3為基陶瓷的準(zhǔn)同型相界組成區(qū)域的變化，并經(jīng)織構(gòu)化處理，最好試樣的性能已可與PZT相比較。④壓電陶瓷器件使用條件的要求變得越來(lái)越苛刻。PZT陶瓷的實(shí)際使用溫度上限約為1/2TC，即低于170～180℃，限制了它在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，探求高溫、高性能壓電陶瓷材料將是鐵電壓電陶瓷研究的重要課題。⑤鐵電疲勞一直是鐵電學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。對(duì)鐵電陶瓷的場(chǎng)致疲勞的研究，不僅對(duì)于鐵電材料和器件的應(yīng)用具有實(shí)際意義，同時(shí)可以加深對(duì)強(qiáng)場(chǎng)下鐵電極化反轉(zhuǎn)、電疇結(jié)構(gòu)演變、缺陷影響機(jī)制和非線性根源等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。鐵電厚膜和薄膜的應(yīng)用2）重要科學(xué)問(wèn)題

★鐵電壓電陶瓷的先進(jìn)制備科學(xué)①鐵電壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)與微結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)；②高性能壓電陶瓷薄膜和厚膜的先進(jìn)制備及集成化技術(shù)基礎(chǔ)；③無(wú)鉛壓電陶瓷材料新體系及其織構(gòu)化制備科學(xué)；④高居里點(diǎn)鐵電壓電陶瓷材料新體系?！镨F電壓電陶瓷的微結(jié)構(gòu)調(diào)制與外場(chǎng)響應(yīng)①壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界的結(jié)構(gòu)特征與機(jī)電響應(yīng)本質(zhì)；②壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)特征與疇結(jié)構(gòu)工程化調(diào)制。★鐵電壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)變異與多場(chǎng)／強(qiáng)場(chǎng)響應(yīng)①多場(chǎng)（電場(chǎng)、應(yīng)力和溫度場(chǎng)）耦合作用下鐵電壓電陶瓷機(jī)電性能的非線性響應(yīng)與疇結(jié)構(gòu)演變；②鐵電壓電陶瓷與器件的場(chǎng)致疲勞與失效。

★鐵電復(fù)相陶瓷材料的多功能化與多場(chǎng)耦合效應(yīng)4．微波介質(zhì)陶瓷材料1）發(fā)展趨勢(shì)★具有實(shí)用價(jià)值的代表性材料體系主要有：Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體（Ln=La，Nd,Sm）、BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr,Sn)TiO4、Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、CaTiO3-MgTiO3、Al2O3以及(Sr,Ba)TiO3等?！镞@些材料目前難以完全適應(yīng)現(xiàn)代微波通信技術(shù)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷越來(lái)越高的要求，并且上述材料體系中尚有若干重要基礎(chǔ)問(wèn)題并未得到解決。此外，雖有不少關(guān)于改性Pb(B

,B

)O3陶瓷以及LnAlO3陶瓷(Ln＝La,Nd,Sm）的基礎(chǔ)研究，但前者存在嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，且綜合性能無(wú)法超過(guò)Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體，而后者綜合性能難以與BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr,Sn)TiO4、Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3等相比?！镉嘘P(guān)微波介質(zhì)陶瓷的基礎(chǔ)研究還很不夠，采用傳統(tǒng)電介質(zhì)理論難以解釋超高頻下（主要在微波頻段）介質(zhì)的高介電常數(shù)、低介電損耗和小溫度系數(shù)，尚不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)有材料的改性和新材料的開發(fā)，具體表現(xiàn)在：①普適的微波介質(zhì)極化理論有待建立；②對(duì)于微波陶瓷的介質(zhì)損耗和改善機(jī)制缺乏深入認(rèn)識(shí)；③介電溫度特性的調(diào)節(jié)機(jī)制尚需深入研究；④一些微波陶瓷材料新體系缺乏必要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和相平衡圖。2）重要科學(xué)問(wèn)題★Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體的低損耗化（高Q值化）與高介電常數(shù)化；

★中介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷新材料（

＝50~70）探索；

★低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的超低損耗化；★低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷；★高調(diào)諧率、低損耗、高穩(wěn)定性作線性介電薄膜；★各類典型材料的本征和非本征微波損耗與其結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)敏感性。5．半導(dǎo)體敏感陶瓷材料1）發(fā)展趨勢(shì)

(1）揭