电子陶瓷材料简介中科大.ppt

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1、 电子陶瓷电子陶瓷材料绪绪 论论 现代陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大现代陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，是航天、新能源、新材料、微电子、类，是航天、新能源、新材料、微电子、激光、海洋工程和生物工程等高新技术的激光、海洋工程和生物工程等高新技术的重要组成部分和不可缺少的物质基础，也重要组成部分和不可缺少的物质基础，也是当前高技术竞争的热点之一。是当前高技术竞争的热点之一。功能陶瓷是利用其特有的功能陶瓷是利用其特有的电、磁、声、光、热、弹等电、磁、声、光、热、弹等直接效应及其耦合效应所提直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现供的一种或多种性质来实现特定的使用功能。特定的使用功能。电子陶

2、瓷的主要化学结合力：电子陶瓷的主要化学结合力：离子键及共价键离子键及共价键化学组成主要有：化学组成主要有：碳、氧化物、氮化物、碳化物以及硼碳、氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物等化物等电子陶瓷电子陶瓷无机多晶体无机多晶体n微观结构上，陶瓷是介乎单微观结构上，陶瓷是介乎单晶与玻璃之间的一类物质晶与玻璃之间的一类物质 电子陶瓷晶相的晶体结构：电子陶瓷晶相的晶体结构：单质材料主要有石墨和金刚石结构；单质材料主要有石墨和金刚石结构；ABAB型化合物主要有型化合物主要有NaClNaCl（岩盐）型结构、立方岩盐）型结构、立方ZnSZnS（闪锌闪锌矿）型结构、六方矿）型结构、六方ZnSZnS（纤维锌矿）型结构

3、等；纤维锌矿）型结构等；ABAB2 2型化合物主要有型化合物主要有CaFCaF2 2（萤石）型结构、萤石）型结构、TiOTiO2 2（金红石）金红石）型结构等；型结构等；A A2 2B B3 3型化合物则以型化合物则以-Al-Al2 2O O3 3（刚玉）型结构为代表；刚玉）型结构为代表；ABOABO3 3型化合物主要有型化合物主要有CaTiOCaTiO3 3（钙钛矿）型结构钙钛矿）型结构、FeTiOFeTiO3 3（钛铁矿）型结构及钛铁矿）型结构及CaCOCaCO3 3（方解石）型结构；方解石）型结构；ABAB2 2O O4 4型化合物最重要的结构是尖晶石结构，典型材料包型化合物最重要的结构

4、是尖晶石结构，典型材料包括括MgAlMgAl2 2O O4 4、MnFeMnFe2 2O O4 4、ZnFeZnFe2 2O O4 4等。等。结构与分类结构与分类从使用功能分类，电子陶瓷的主要种类包从使用功能分类，电子陶瓷的主要种类包括绝缘陶瓷、介质陶瓷、微波陶瓷、铁电括绝缘陶瓷、介质陶瓷、微波陶瓷、铁电与压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、电与压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、电致伸缩陶瓷、敏感陶瓷、高导热陶瓷、导致伸缩陶瓷、敏感陶瓷、高导热陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等。电陶瓷、超导陶瓷等。制备工艺制备工艺 电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括制粉、电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括制粉、成型

5、、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热成型、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热压烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或压烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或气孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄气孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄膜材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶膜材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶-凝胶法，凝胶法，脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。电子陶瓷特殊效能的开发主要来源于对复杂多元氧电子陶瓷特殊效能的开发主要来源于对复杂多元氧化物的化学组成、物相结构、工艺、性能和使用效应化物的化学组成、

6、物相结构、工艺、性能和使用效应之间相互关系的系统研究，其性能的调节和优化可借之间相互关系的系统研究，其性能的调节和优化可借助离子置换、掺杂改性及工艺控制手段来实现。助离子置换、掺杂改性及工艺控制手段来实现。近年来取得重要进展的技术领域：近年来取得重要进展的技术领域：高纯超微粉体技术高纯超微粉体技术致密化成型及烧结技术致密化成型及烧结技术陶瓷薄膜制备技术陶瓷薄膜制备技术材料分析及测试技术材料分析及测试技术对材料制备工艺的反应过程、表面与界对材料制备工艺的反应过程、表面与界面的结构与性质、显微结构的形成与变面的结构与性质、显微结构的形成与变化以及这些因素对陶瓷性能的影响有了化以及这些因素对陶瓷性能

7、的影响有了更深入的了解。更深入的了解。开拓了新的材料研究领域：开拓了新的材料研究领域：l电子陶瓷薄膜电子陶瓷薄膜l超晶格材料超晶格材料l复合材料复合材料l纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料l机敏材料及智能材料等机敏材料及智能材料等电子陶瓷材料的研究开始从经验式的探索，逐电子陶瓷材料的研究开始从经验式的探索，逐步走向按所需性能进行材料设计，对电子陶瓷步走向按所需性能进行材料设计，对电子陶瓷性能的开发和应用起到了很大的促进作用。性能的开发和应用起到了很大的促进作用。一一般般而而言言，由由主主晶晶相相性性质质决决定定的的陶陶瓷瓷特特性性主主要要有有介介电电性性、铁铁电电性性、电电子子导导电电性性、离离子子导导

8、电电性性、超超导导电电性性、热热导导性性、光光导导性性、电电致致变变色色性性、电电致致伸伸缩缩性性等等；经经极极化化处处理理的的铁铁电电陶陶瓷瓷可可具具有有压压电电性性、热热释释电电性性、电电光光特特性性等等；电电子子陶陶瓷瓷的的温温度度、气气氛氛、湿湿度度、电电压压等等敏敏感感特特性性除除与与陶陶瓷瓷主主晶晶相相组组成成相相关关外，还受到晶界结构与性质的很大影响。外，还受到晶界结构与性质的很大影响。典型材料与应用典型材料与应用电子陶瓷的典型材料及应用示例电子陶瓷的典型材料及应用示例 种种 类类典型材料及形态典型材料及形态重要应用示例重要应用示例绝缘陶瓷绝缘陶瓷AlAl2 2O O3 3、Al

9、NAlN、BeO(BeO(薄薄 片片、膜膜状状多多层层、条条状状或或异异形形体体)集集成成电电路路(IC)IC)衬衬底底、微微波波大大功功率率器器件件散散热热支支撑撑件件、多多芯芯片组装片组装(MCM)MCM)用基板及封装用基板及封装介质陶瓷介质陶瓷BaTiOBaTiO3 3、(MgCa)TiO(MgCa)TiO3 3、(薄片、膜状多层薄片、膜状多层)高高比比容容电电容容器器、射射频频高高功功率率电容器、抗电磁干扰滤波器电容器、抗电磁干扰滤波器微波陶瓷微波陶瓷Ba(MgBa(Mg1/31/3TaTa2/32/3)O)O3 3、BaO-BaO-TiOTiO2 2-Nd-Nd2 2O O3 3（薄

10、片）薄片）微微波波、毫毫米米波波介介质质谐谐振振器器(DRO)DRO)、微微波波电电路路基基片片、介介质波导及微波天线质波导及微波天线铁电陶瓷铁电陶瓷Pb(ZrPb(Zrx xTiTi1-x1-x)O)O3 3、PbTiOPbTiO3 3(经极化的烧结体或薄膜经极化的烧结体或薄膜)铁铁电电阴阴极极、非非易易失失性性抗抗辐辐射射铁电随机存储器铁电随机存储器(FRAM)FRAM)电子陶瓷的典型材料及应用示例电子陶瓷的典型材料及应用示例 电光陶瓷电光陶瓷Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(透透明致密烧结体明致密烧结体)电电控控光光开开关关、光光调调制制

11、器器、光光存存储储器器、强强激激光光或或核核闪闪光光护护目镜目镜热释电陶瓷热释电陶瓷PbTiO3(PbTiO3(经经极极化化烧烧结结体体或或薄薄膜膜)红红外外探探测测器器、非非致致冷冷焦焦平平面面红红外外热热成成像像阵阵列列、红红外外瞄瞄准准镜镜电致伸缩陶电致伸缩陶瓷瓷Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(膜膜状状多多层层)高高分分辨辨率率高高精精度度微微位位移移驱驱动动器器电致变色陶电致变色陶瓷瓷WO3WO3、NiO(NiO(多多晶晶或或非非晶晶薄薄膜膜)可可见见光光，近近红红外外，红红外外调调制制机敏窗口及屏幕显示机敏窗口及屏幕显示导电陶瓷导电陶瓷-Al2O3

12、-Al2O3、稳稳定定ZrO2(ZrO2(烧烧结结体体、离离子子导导电电)；ZrB2ZrB2、La1-xSrxCoO3(La1-xSrxCoO3(烧烧结结体体、电电子导电子导电)高高能能量量密密度度钠钠硫硫电电池池隔隔膜膜，HTFCHTFC燃燃料料电电池池隔隔膜膜，氧氧传传感感器器、磁磁流流体体发发电电(MHD)MHD)高高温温电电极极，固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池(SOFC)SOFC)阴极阴极超导陶瓷超导陶瓷Y-Y-BaBa-Cu-O(-Cu-O(烧结体、薄膜烧结体、薄膜)高高性性能能微微波波器器件件(谐谐振振器器、滤波器、耦合器、延迟线滤波器、耦合器、延迟线)压敏陶瓷压敏陶瓷ZnO

13、ZnO、SrTiO SrTiO3 3(烧结体烧结体)过过电电压压保保护护器器，浪浪涌涌及及低低电电平噪声吸收双功能器件平噪声吸收双功能器件热敏陶瓷热敏陶瓷CdO-SbCdO-Sb2 2O O3 3-WO-WO3 3、NiO-CoO-NiO-CoO-FeO FeO(烧烧结结体体，负负温温度度系系数数NTC)NTC)；BaTiOBaTiO3 3(烧烧结结体体，正正温度系数温度系数PTC)PTC)测测温温及及热热补补偿偿器器件件、稳稳压压器器、限限幅幅器器，过过热热过过电电流流保保护护装装置、智能恒温加热器置、智能恒温加热器湿敏陶瓷湿敏陶瓷Zn-LiZn-Li2 2O-VO-V2 2O O5 5,MgCrMgCr2 2O O4 4(多多孔孔烧烧结结体体)，FeFe3 3O O4 4，CrCr2 2O O3 3,SbSb2 2O O3 3(膜状膜状)湿度测量及控制器件湿度测量及控制器件气敏陶瓷气敏陶瓷SnOSnO2 2,ZnOZnO,ZrOZrO2 2,NiONiO(烧烧结体结体)易易燃燃及及有有毒毒气气体体探探测测器器，发发动机空燃比控制器动机空燃比控制器电子陶瓷的典型材料及应用示例电子陶瓷的典型材料及应用示例