功能陶瓷材料研究進(jìn)展概述

朱守金 倪江利 孫權(quán)海 邊健

摘? 要：功能陶瓷材料因具有磁、電、聲、光、力、熱等方面的優(yōu)異性能，在微電子技術(shù)、激光技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、光電子技術(shù)、通信、環(huán)保、能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在生活生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起到重要作用。文章重點(diǎn)介紹了功能陶瓷材料在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了功能陶瓷材料的種類、基本性質(zhì)、應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策。

關(guān)鍵詞：功能陶瓷;應(yīng)用;趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TQ174? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0089-02

Abstract： Functional ceramic materials are widely used in microelectronic technology， laser technology， automation technology， optoelectronic technology， communications， environmental protection， energy and biomedicine because of their excellent magnetic， electrical， acoustic， optical， mechanical and thermal properties， thus playing an important role in life， work and the development of science and technology. This paper focuses on the development of functional ceramics in China， and expounds the types， basic properties， applications， development trends and countermeasures of functional ceramics.

Keywords： functional ceramics; application; trend

引言

功能陶瓷是利用光、熱、力、聲、磁、電等直接效應(yīng)及耦合效應(yīng)的一種先進(jìn)材料。功能陶瓷經(jīng)歷了電介質(zhì)陶瓷、壓電鐵電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷等一系列的過程，目前在微電子技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、光電子技術(shù)、通信、環(huán)保、能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)我國科技發(fā)展的重要功能性材料。當(dāng)前功能陶瓷正朝著智能化、小型化、復(fù)合化、多功能化和材料、設(shè)計(jì)、工藝一體化的方向進(jìn)一步的發(fā)展[1，2]。

1 功能陶瓷材料分類及應(yīng)用

1.1 鐵電壓電陶瓷材料

隨著電子器件智能化、微型化的發(fā)展，體積更小、性能優(yōu)良的新材料是材料科學(xué)界優(yōu)先研究方向。具有獨(dú)特光學(xué)、電學(xué)和光電子學(xué)性能的鐵電壓電材料在信息存儲(chǔ)、檢測(cè)、傳感器、通訊、軍事上得到廣泛應(yīng)用，其主要分為以下幾大類。

1.1.1 無鉛壓電陶瓷

無鉛壓電陶瓷是一類具有良好環(huán)境協(xié)調(diào)性和滿意的使用性能的一類新型功能材料。目前開發(fā)的主要有鈮酸鹽系陶瓷、鈦酸鹽陶瓷、鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，它們具有無須密封合成和燒結(jié)、無須高溫下極化、燒結(jié)溫度低、合成溫度低等特點(diǎn)。

1.1.2 弛豫鐵電體

弛豫鐵電體具有相對(duì)低的燒結(jié)溫度、很高的介電常數(shù)、大的電致伸縮系數(shù)、“彌散相變”得到的較低容溫變化率和幾乎無滯后的特點(diǎn)，在新型電致伸縮器件和多層陶瓷電容器應(yīng)用廣泛。目前研究熱點(diǎn)是聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯的固溶體和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶[3]。

1.1.3 壓電復(fù)合材料

目前研究非?；钴S，應(yīng)用范圍主要包括壓電傳感器、熱釋電傳感器、超聲成像、無損探傷、非均勻振動(dòng)換能器。制作工藝不斷改進(jìn)，探索出脫模法、注模成型法、遺留法等方法，壓電陶瓷結(jié)構(gòu)精度從100？滋m提升到20？滋m。

1.2 半導(dǎo)體陶瓷材料

半導(dǎo)體陶瓷是傳感器技術(shù)及敏感元器件的關(guān)鍵材料，與通訊技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)，主要分為熱敏電阻、壓敏電阻、半導(dǎo)體陶瓷電容器、濕度傳感器和氣體傳感器等幾類。熱敏電阻器大多數(shù)是尖晶石型氧化物半導(dǎo)體陶瓷，包括MnO-NiO-O2系、MnO-CoO-O2系、MnO-CuO-O2系等二元金屬氧化物陶瓷，Mn-Cu-Co、Mn-Cu-Ni、Mn-Co-Ni 系等含Mn的三元金屬氧化物，廣泛用于控溫、測(cè)溫、穩(wěn)壓、補(bǔ)償、遙控、時(shí)間延遲、流量流速測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域。氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料主要包括CoO系、NiO 系ZrO2系、V2O5系、SnO系、Fe2O3系等過度金屬氧化物系，對(duì)天然氣、城市煤氣、丙烷、乙醇、甲烷等可燃?xì)怏w有相當(dāng)高的靈敏度。壓敏電阻器是利用伏安特性呈非線性以及電阻對(duì)電壓變化敏感的半導(dǎo)體陶瓷。ZnO是性能最好、應(yīng)用最廣的壓敏半導(dǎo)體陶瓷。光敏半導(dǎo)體陶瓷是利用陶瓷對(duì)光子能量的差異和電特性的不同，產(chǎn)生伏特、光電導(dǎo)效應(yīng)來制造制造光敏電阻和光電池。典型的光敏陶瓷有CdTe-CdS、Cu2S-CdS、CdSe、CdS等。

1.3 微波介質(zhì)陶瓷材料

微波介質(zhì)陶瓷主要用于制造諧振器、濾波器、介質(zhì)天線等設(shè)備，在現(xiàn)代通信設(shè)備中發(fā)揮重要的作用。微波介質(zhì)陶瓷具有低介電損耗、高介電常數(shù)、溫度系數(shù)小等性能，能夠滿足微波電路高可靠性、低成本、集成化、小型化的要求。根據(jù)使用頻率和相對(duì)介電常數(shù)的不同，分為以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-MgO-Ta2O5、BaO-MgO-Nb2O5系統(tǒng)或它們之間的復(fù)合系統(tǒng)為代表的低εr和高Q值微波介質(zhì)陶瓷、以（Zr、Sn）TiO4，Ba2Ti9O2，BaTi4O9等為代表的中εr和高Q值微波介質(zhì)陶瓷，以鎢青銅結(jié)構(gòu)，鉛基鈣鈦礦系列，BaOLn2O3-TiO2系列，復(fù)合鈣鈦礦CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列為代表的高εr和高Q值微波介質(zhì)陶瓷[4]。

2 功能陶瓷發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策

2.1 功能陶瓷發(fā)展趨勢(shì)

小型化、低損耗化、復(fù)合化、多功能化、智能化將是未來新型功能陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)。由于電子產(chǎn)品有向輕、薄、小發(fā)展的趨勢(shì)，這就要求材料、損耗必須越來越小，當(dāng)材料尺寸達(dá)到納米級(jí)，表面、量子效應(yīng)會(huì)顯著加強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的光、熱、電等特性，從而使材料產(chǎn)生一些新的功能。隨著科技的發(fā)展，對(duì)材料的功能也要求越來越高，單一材料往往難以滿足，可以通過離子摻雜、材料復(fù)合等手段開發(fā)出綜合的功能材料。智能材料是功能陶瓷發(fā)展的更高階段，它是人類社會(huì)的需求和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果[5]。

2.2 對(duì)策

與發(fā)達(dá)國家相比，我國在功能陶瓷材料研究方面起步較晚，有一定的差距。為了開發(fā)出更好的功能材料，在功能材料研究方面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）重點(diǎn)突出。功能陶瓷材料的種類多、應(yīng)用多，不應(yīng)面面俱到研究、開發(fā)，而是集中優(yōu)勢(shì)開發(fā)需求量大、價(jià)值高的功能材料來滿足國家的需求。

（2）加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，建立完善的研究開發(fā)體系。國家應(yīng)該加大對(duì)高?；A(chǔ)研究的投入，鼓勵(lì)高校成立開發(fā)研究團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)高校和企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作，解決功能材料研究、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的難題。

3 結(jié)束語

文章重點(diǎn)介紹了功能陶瓷材料在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了功能陶瓷材料的種類、基本性質(zhì)、應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策。從中可以看出功能陶瓷材料在通信、電子、計(jì)算機(jī)等方面有著舉足輕重的作用。希望國家加強(qiáng)功能材料的投入、研究、設(shè)計(jì)，開發(fā)新型功能陶瓷材料，為國家工業(yè)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林志偉.功能陶瓷材料研究進(jìn)展綜述[J].廣東科技，2010，241：36.

[2]李龍土.功能陶瓷材料及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2005（05）.

[3]王評(píng)初.弛豫鐵電體相變研究的最新進(jìn)展[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，7（6）.

[4]尹雪帆，喻佑華，周川釣，等.微波介質(zhì)陶瓷材料發(fā)展綜述[J].中國陶瓷，2006，24（2）.

[5]閆學(xué)增，林文松，方寧象，等.金屬封裝陶瓷復(fù)合材料制備方法的研究進(jìn)展[J].輕工機(jī)械，2015（6）.