陶瓷材料論文：電子陶瓷材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1、 陶瓷材料論文：電子陶瓷材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢摘要本文對電子陶瓷系統(tǒng)中的絕緣質(zhì)、介電質(zhì)、壓電質(zhì)與離子導(dǎo)體的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評述。指出了電子陶瓷材料及其生產(chǎn)工藝的研究動向和發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞電子陶瓷,材料,研究和開發(fā) 1引言 電子陶瓷材料主要指具有電磁功能的一類功能陶瓷，它具有較大的禁帶寬度，可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其介電性能和導(dǎo)電性能。它以電、磁、光、熱和力學(xué)等性能及其相互轉(zhuǎn)換為主要特征，廣泛應(yīng)用于電子、通訊、自動控制等眾多高科技領(lǐng)域1。 近年來，電子陶瓷的研究和開發(fā)十分引入注目，其新材料、新工藝和新器件已在諸多方面取得了成果。 2電子陶瓷材料研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景 2.1 高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷 2.1

2、.1高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷的研究現(xiàn)狀 絕緣陶瓷又稱裝置瓷，它具有高電絕緣性、優(yōu)異的高頻特性、良好的導(dǎo)熱性以及高化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等特性。 AlN于1862年首次合成2，20世紀(jì)50年代后期，隨著非氧化物陶瓷受到重視，人們開始將AlN陶瓷作為一種新材料進(jìn)行研究，側(cè)重于將其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用。近10年來，AlN陶瓷的研究熱點(diǎn)是提高熱傳導(dǎo)性能，應(yīng)用對象是電路基板和封裝材料。最新研究通過采用有效的燒結(jié)助劑如CaO和Y203生產(chǎn)出了高純度、高熱導(dǎo)率的AlN。 BeO陶瓷是一種高導(dǎo)熱率、電絕緣性能良好的材料，它對微電子集成電路的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，但因其有劇毒，已逐漸被停止使用3。 近30年來，由于人們的重

3、視和工業(yè)應(yīng)用的需要，高導(dǎo)熱電絕緣陶瓷逐漸發(fā)展壯大，研究方向也有了一些變化，主要表現(xiàn)在： (1) 新材料的開發(fā)。一方面，在原有材料的基礎(chǔ)上開發(fā)新的材料，如在SiC中添加2%BeO，獲得SiC-BeO高導(dǎo)熱電絕緣材料，性能優(yōu)于BeO4；另一方面，獨(dú)立開發(fā)新材料，正在開發(fā)中的有氮氧化硅（Si2ON2）、SiC纖維、氮化硅系列纖維等56。 （2） 除原料配方外，成形和燒成工藝研究也取得了較大的進(jìn)展。1966年Bergmann和Barrington提出了陶瓷粉末的沖擊波活化燒結(jié)新工藝的概念。在成形工藝上，20世紀(jì)90年代開發(fā)出兩種泥漿原位凝固的成形工藝：凝膠澆注和直接凝聚澆注工藝。在國外的一些實(shí)驗室已成

4、功地利用這兩種工藝制備出形狀復(fù)雜的氧化鋁、氮化硅、碳化硅等制品。 (3) 近年來，針對高導(dǎo)熱電絕緣陶瓷制備成本高的問題，一些科技工作者著重研究如何降低制造成本，以期改變應(yīng)用落后的現(xiàn)狀。 2.1.2高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷的應(yīng)用前景 高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷具備優(yōu)良的綜合性能，在多方面都有著廣泛的應(yīng)用前景，如高溫結(jié)構(gòu)材料、金屬熔液的浴槽、電解槽襯里、熔融鹽類容器、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體和主動裝甲材料等。尤其是其導(dǎo)熱性良好、電導(dǎo)率低、介電常數(shù)和介電損耗低等特性，使其成為高密度集成電路基板和封裝的理想材料。同時也可用作電子器件的封裝材料、散熱片以及高溫爐的發(fā)熱件等。 2.2 介電陶瓷 2.2.1介電陶瓷的研究現(xiàn)狀

5、 鈦酸鋇陶瓷由于具有高介電常數(shù)、良好的鐵電、介電及絕緣性能，主要用于制備電容器、多層基片、各種傳感器等。鈦酸鋇粉體的制備方法很多，其中液相合成法因具有高純、超細(xì)、均勻等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞。美國主要以草酸鹽法和其它化學(xué)合成法為主810；日本則主要采用350以下的水熱法來合成11；朱啟安用氫氧化鋇和偏鈦酸為原料，制備了純度高、粒徑小的鈦酸鋇粉體，能滿足電子工業(yè)對高質(zhì)量鈦酸鋇粉體的需求。此外，以偏鈦酸、氯化鋇、碳酸銨為原料，采用沉淀法可制備出純度高、粒徑小的鈦酸鋇粉體。該工藝不需加熱，且時間短，可降低設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗。 研究表明：把La、Nb、Bi等摻入SrTiO3中時，會產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象，并將明顯增大電

6、容率、提高介電性。因此，摻有上述離子的SrTiO3陶瓷有極強(qiáng)的實(shí)用價值，可用于制造高電壓和高電容的陶瓷電容器。 鈦酸鍶粉體的制備方法也是研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)已開發(fā)出許多化學(xué)液相粉體制備方法，如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法等。張士成等12以TiCl4水解得到的H4TiO4膠體作為鈦源，在熱水溶液中制備出了SrTiO3粉體。 2.2.2 介電陶瓷的發(fā)展趨勢 今后幾年介電陶瓷的發(fā)展方向仍將是多層陶瓷電容器(MLC)和微波介質(zhì)陶瓷。具體表現(xiàn)在多層陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介質(zhì)濾波器的需求是通信市場發(fā)展的結(jié)果。目前，大多數(shù)廠家的生產(chǎn)都集中在溫度穩(wěn)定的低損耗介質(zhì)上。此外，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，含

7、鉛材料的開發(fā)將逐漸減少。 2.3 壓電陶瓷 2.3.1 壓電陶瓷的現(xiàn)狀 壓電陶瓷作為一種新型功能材料，廣泛應(yīng)用于傳感器、氣體點(diǎn)火器、報警器等裝置中。它的應(yīng)用大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類：前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高；后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式。 鈦酸鉛常溫下屬四方晶系，當(dāng)溫度高于居里溫度時，晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，是理想的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。因此，鈦酸鉛是一種可用于高溫、高頻場合的壓電材料。純鈦酸鉛的壓電性能較低，而且很難燒制，當(dāng)冷卻至居里點(diǎn)時，就會碎裂為粉末；加入少量雜質(zhì)可抑制開裂，提高壓電性能。 王歆13等研究了以氨水-二氧

8、化碳為混合沉淀劑，在懸濁液中合成出碳酸鉛與二氧化鈦的均勻混合物，使碳酸鉛均勻地附著在二氧化鈦顆粒的表面，經(jīng)過濾、烘干、高溫煅燒后得PbTiO3基質(zhì)粉體。 2.3.2 壓電陶瓷的發(fā)展趨勢 現(xiàn)今所用的壓電陶瓷材料，主要是Pb（Ti，Zr）O3（PZT）、PbTiO3-PbZrO3-ABO3（ABO3為復(fù)合鈣鈦礦型鐵電體）及PbTiO3等鉛基壓電陶瓷。PbO（或Pb3O4）的含量約占原料總量的70%。近年來歐美等國已把PbO定為限用對象，因此，開發(fā)無鉛或低鉛的壓電陶瓷勢在必行；其研究正在日本、美國的一些大學(xué)開展。無鉛壓電陶瓷最早使用的是BaTiO3（BT），現(xiàn)在主要是Biv0.5Na0.5TiO3（

9、BNT）和KnbO3（KN）等鈣鈦礦型系列。BNT是一種A位復(fù)合鈣鈦礦鐵電體，具有鐵電性強(qiáng)、壓電常數(shù)大、介電常數(shù)小、聲學(xué)性能好等優(yōu)良特性，且燒結(jié)溫度較低，被認(rèn)為是最具吸引力的無鉛壓電陶瓷材料體系之一。但單純的BNT陶瓷矯頑場強(qiáng)大，在鐵電相區(qū)電導(dǎo)率高，難以極化，其壓電鐵電性能也難以發(fā)揮，因此很難實(shí)用化。近年來，人們就BNT陶瓷改性及其相變特性進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了較大的進(jìn)展。 2.4 快離子導(dǎo)體陶瓷 2.4.1 典型的離子導(dǎo)體陶瓷 快離子導(dǎo)體陶瓷是指電導(dǎo)率可以和液體電解質(zhì)或溶鹽相比擬的固態(tài)離子導(dǎo)體陶瓷，又稱電解質(zhì)陶瓷。其離子電導(dǎo)率可達(dá)10-110-2Scm-1，活化能低至0.10.2eV?，F(xiàn)

10、已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體材料有數(shù)百種之多，其中較為典型的有氧離子導(dǎo)體、鈉離子導(dǎo)體、鋰離子導(dǎo)體和氫離子導(dǎo)體。 （1） 氧離子導(dǎo)體：以氧離子為主要載流子的快離子導(dǎo)體。氧離子導(dǎo)體具有特殊的功能，已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，如作為高溫燃料電池、氧泵的隔膜材料和氧傳感器等。發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的是以二價堿土氧化物和三價稀土氧化物穩(wěn)定的ZrO2固溶體。 （2） 鈉離子導(dǎo)體：美國福特汽車公司發(fā)現(xiàn)以鈉離子為載流子的-Al2O3在200300有特別高的離子導(dǎo)電率后，鈉離子導(dǎo)體發(fā)展成為一類重要的快離子導(dǎo)體。此外，骨架結(jié)構(gòu)鈉離子導(dǎo)體的研究也取得了顯著進(jìn)展。 （3） 鋰離子導(dǎo)體：隨著高能電池研究的發(fā)展，以鋰離子導(dǎo)體作為隔膜材料的

11、室溫全固態(tài)鋰電池，由于壽命長、裝配方便等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的重視。 （4） 氫離子導(dǎo)體：氫離子導(dǎo)體又名質(zhì)子導(dǎo)體，它在能源及電化學(xué)器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 2.4.2 快離子導(dǎo)電陶瓷的應(yīng)用及發(fā)展前景 目前，快離子導(dǎo)電陶瓷主要有兩方面的應(yīng)用：(1)用作各種電池的隔膜材料；(2)用作固體電子器件。已實(shí)用化的有燃料電池、常溫一次電池、蓄電池等。在低能電池應(yīng)用方面有銀離子、銅離子、鋰離子和氟離子固體電解質(zhì)電池。其中鋰碘電池由于可靠性高、壽命長，已用作心臟起搏器電源。硫鈉電池是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的一種新型高能固體電解質(zhì)蓄電池。它的理論比能量是鉛酸蓄電池的10倍，且電池放電電流大、充電效率高、原

12、料來源豐富，是一種潛力很大的新能源；目前正在積極研究用于電動汽車動力源、火車輔助電源以及電站儲能裝置。國際上固體氧化物燃料電池的研究趨勢是降低電池的工作溫度，因為中溫固體氧化物燃料電池可以使用價格比較低廉的合金材料作連接板，對密封材料的要求也較低，使用壽命大幅延長。 3小結(jié) （1） 隨著多層制作技術(shù)的發(fā)展，電子陶瓷元件可望繼續(xù)微型化。 （2） 無鉛或低鉛的壓電陶瓷研究開發(fā)已成當(dāng)務(wù)之急，其中單晶體則以KN和BNT-BT系列鈣鈦礦型無鉛強(qiáng)介質(zhì)材料的研究為熱點(diǎn)。 （3） 新型電子陶瓷的開發(fā)離不開薄膜制備技術(shù)。 （4） 醫(yī)學(xué)和通信是電子陶瓷應(yīng)用增長較快的領(lǐng)域。 （5） 對無機(jī)固體電解質(zhì)的探索仍將集中在

13、以下三方面：進(jìn)一步研究晶格結(jié)構(gòu)和離子傳輸機(jī)理，探索和合成具有高離子遷移骨架的化合物； 發(fā)展新型非晶態(tài)無機(jī)電解質(zhì)；進(jìn)一步提高已發(fā)現(xiàn)無機(jī)電解質(zhì)的性能和完善現(xiàn)有的應(yīng)用，并開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) 1 王岱峰，蔡杰，李文蘭等.96中國材料研討會論文D.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997 2 于凌字,馮玉梅.新型電子陶瓷材料氮化鋁工藝進(jìn)展與應(yīng)用前景J.新材料產(chǎn)業(yè)，2003,2:3133 3 林健涼,曲選輝,秦明孔等.注射成形AlN高導(dǎo)熱陶瓷蠟基粘結(jié)劑J.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,(5):498 4 殷聲編著.現(xiàn)代陶瓷及應(yīng)用M.北京:北京科技出版社,1990 5 歐陽世翕,閆玉華,張 軍.96中國材料研

14、討會論文D.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997 6 馮春祥,宋永才,王應(yīng)德.高性能陶瓷纖維的研究進(jìn)展D.96中國材料研討會論文.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997 7 韓 巍,薛鴻陸.高導(dǎo)熱AlN的沖擊波活化燒結(jié)D.96中國材料研討會論文.北京:化學(xué)工業(yè)出版社 8 Hennings F K,Schreinemacher H J.Method of manufacturing barium titanate BaTiO3P.US:5009876,1991（4），23 9 Bruno A,Monson W L.Process for preparing crystalline mixed matal oxidesP.US:5242674,1993（9），07 10 HetY S.Preparation of well-defied colloidal barium titanate crystals by the controlled double-jet precipitationJ.J Mater Res.1995,10(12):31063114 11 Wada S. Preparatio