电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势.pdf
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1、电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势石成利 刘 国(济南力诺玻璃制品有限公司 山东 商河 251604)摘 要 概括了电子陶瓷材料的研究与应用现状,详细介绍了主要电子陶瓷的研究热点。根据目前信息技术的发展状况及应用需求,指出了电子陶瓷材料及其生产工艺的研究动向和开发趋势。关键词 电子陶瓷 材料 开发与研究Current Status for Research and Application and Development Trends on Electronic CeramicsShi Chengli,Liu Guo(Jinan Linuo G lassware Co.,Ltd,Shando
2、ng,Shanghe,251604)Abstract:The current statusfor research and application of electronic ceramics are reviewed.The main researchfields of electronic ceram2ics are introduced in detail.Surveys of the present state and the applicative requirements of Information Technology indicate that the re2search t
3、endency in materials and production process of electronic ceramics.Key words:Electronic ceramics;Material;Research and development 前言电子陶瓷是指以电、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,主要包括压电、介电、离子导体、超导和磁性陶瓷等。电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,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
4、量新型功能陶瓷材料及元器件问世。近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外的大公司如日本的村田、松下、京都陶瓷,美国的摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。随着电子信息技术的高速发展,电子陶瓷材料应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产
5、品,包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等,数字技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求,世界各国的大学、研究机构和企业都在以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。1 典型电子陶瓷的研究及应用现状传统电子陶瓷材料在电子工业、微电子工业等领域中已经获得了广泛的应用,为高科技发展和国民经济繁荣做出了卓越的贡献。目前这类材料的研究领域主要是利用先进的材料制备技术来进一步改善和提高性能。1.1 敏感电子陶瓷21世纪称之为信息时代,信息的获取和传递主要依赖于传感器(敏感元件),敏感电子陶瓷在各类敏感元件中占有十分重要的地位,主要有热敏陶瓷、压敏陶瓷
6、和压电陶瓷等。1.1.1 热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料,主要用于制造温度传感器、线112008.No.3陶 瓷 路温度补偿及稳频元件。根据热敏陶瓷的电阻-温度特性可以分为3大类:正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度系数热敏电阻(CTR)。目前普遍认为,陶瓷热敏电阻型和单晶半导体型热敏传感器是最有市场、最有潜能和最具有发展前景的产品。在热敏电阻传感器中,NTC热敏传感器是较有前途的一种,目前的主要研究方向是进一步研究高温(300 以上)NTC热敏电阻和低温(低于-60)NTC热敏电阻材料的制备技术及其复合器件。在制备工艺
7、上可以通过掺杂等手段来提高热敏电阻的性能和老化的稳定性,并通过控制晶粒结构、提高瓷体致密度等措施来增强NTC热敏电阻的耐温冲击性12。1.1.2 压敏陶瓷压敏陶瓷对外加电压变化非常敏感,随着市场的需求,由单一压敏性能的ZnO压敏陶瓷,SiC压敏陶瓷发展到具有电容性和压敏性的双功能电子元器件(主要是TiO2和SrTiO3系列电容-压敏电阻器)。压敏陶瓷的多功能化是新形势下迎合市场的需要而发展起来的,基于压敏性和热敏性的半导体复合元件能起到抑制过电压和过电流的双重保护作用。近些年来还出现了SnO2和WO3压敏陶瓷,但由于存在致密度低、非线性系数较小等缺点而没有做更深入地研究。目前,压敏陶瓷的研究热
8、点主要集中在稀土掺杂改性研究(如:Ta,La,Ce等)和纳米添加改性研究方面,采用稀土掺杂和纳米添加法制备的压敏陶瓷具有更高的致密度和较好的电学性能。压敏陶瓷的制备工艺开始由传统的电子陶瓷工艺发展到溶胶-凝胶复合工艺,产品形式也由通用型向叠层片式元器件转化。压敏陶瓷的发展方向逐渐向两端发展:在高压领域中研制高能ZnO压敏电阻器,在中低压领域中开发SrTiO3TiO2系列压敏电阻元器件36。1.1.3 压电陶瓷压电材料能够自适应于环境的变化,实现机械能与电能之间的转化,具有集传感器和控制于一体的特有属性。压电材料由最初的压电晶体发展到压电陶瓷,进而发展到压电聚合物(压电复合材料),其应用领域也由
9、最初的检音器、换能器、滤波器扩展到能源、信息、军事科学、超声医学及其他许多高技术领域。现在所用的压电陶瓷材料,主要是Pb(Ti,Zr)O3(PZT),PbTiO3-PbZrO3-ABO3(ABO3为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3等铅基压电陶瓷。钛酸铅常温下属四方晶系,当温度高于居里温度时,晶体为立方晶系,是理想的钙钛矿型结构。因此,钛酸铅是一种可用于高温、高频场合的压电材料。纯钛酸铅的压电性能较低,而且纯钛酸铅陶瓷很难烧制,当冷却通过居里点时,就会碎裂为粉末,但加入少量杂质可抑制开裂,提高压电性能。铅基压电陶瓷中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总量的70%,这类陶瓷在生产、使用及废弃后
10、的处理过程中,都会给人类及其生态环境造成危害。近年来,欧美等国已把PbO定为限用对象,欧洲理事会已有提案:将从2007年开始禁止在电子仪器设备中使用特定有害物,PbO排第一。鉴于以上状况,开发无铅或低铅的压电陶瓷是必要的,其研究正在日本、美国的一些大学开展。作为无铅压电陶瓷最早使用的是BaTiO3(BT),现在是以Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)和K NbO3(K N)等钙钛矿型系列为主要无铅压电材料。Bi0.5Na0.5TiO3是一种A位复合钙钛矿铁电体,具有铁电性强,压电常数较大,介电常数小,声学性能好等优良特性,且烧结温度较低,被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一。但单纯的
11、Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷矫顽场强大,在铁电相区电导率高,从而难以极化,其压电铁电性能也难以发挥,因而单一的Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷很难实用化。近年来,人们就Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷改性及其相变特性进行了广泛的研究,并取得了较大的进展7。1.2 介电陶瓷钛酸钡陶瓷由于具有较高的介电常数、良好的铁电、介电及绝缘性能,主要用于制备高电容电容器、多层基片、各种传感器等。随着电子科学的不断发展,对介电陶瓷性能要求是越来越高,其中多层型电容器的不断薄层化,已被实用的多层电容器所取代,每层厚度仅达几个微米。钛酸钡粉体的制备方法很多,其中液相合成法制备的粉体具有高纯、超细、均匀等优点而
12、倍受人们的青睐。美国主要以草酸盐法和其他化学合成法为主;日本则主要采用350 以下的水热法来合成。朱启安8用氢氧化钡和偏钛酸为原料合成钛酸钡21陶 瓷 2005.No.3的方法,获得了纯度高、粒径小的钛酸钡粉体,能满足电子工业对高质量钛酸钡粉体的需求。此外,以硫酸法钛白的中间产物偏钛酸为钛原料,与氯化钡、碳酸铵采用沉淀法,可制备出纯度高、粒径小的钛酸钡粉体9。该工艺中的沉淀过程不需加热,且时间短,可降低设备投资和生产能耗。钛酸锶陶瓷是一种新的多功能电子陶瓷材料,它具有介电损耗低、温度稳定性好等优点。有研究表明:钛酸锶的四角相态点的相转移温度为108 K,纯SrTiO3的居里温度是35 K甚至更
13、低。SrTiO3不仅具有高的电容率和低的耗散因子,而且具有良好的温度稳定性和抗高电压性。尤其是把La,Nb,Bi等的离子掺加于Sr2TiO3中时,会产生弛豫现象,并将明显增大电容率和提高介电性。因此,掺加有上述离子的SrTiO3陶瓷有极强的实用价值,可用于制造高电压和高电容率的陶瓷电容器。钛酸锶粉体的制备方法也是研究的热点,现已开发出许多化学液相粉体制备方法,如溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热合成法等。张士成等以TiCl4水解得到的H4TiO4胶体作为钛源,在热水溶液中制备Sr2TiO3粉体10。1.3 微波介质陶瓷微波介质陶瓷是指适合于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料,其广泛应用于微波
14、谐振器、滤波器、移相器、微波电容器以及微波基板等,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)等现代微波通信技术的关键材料。为满足不同用途的要求,微波陶瓷介质材料种类有很多。主要有:TiO2;2MgOSiO2;A12O3;MsTiO3;BaTi4O9;BaTi9O20;(Zr,Sn)TiO4;Ba(Zr,Ti)O3;MsTaO3;BaO-ZnO-Nb2O5-Ta2O5;(Ca,Sr,Ba)O-ZrO2;BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系统。无论哪种系统,一般都希望微波陶瓷材料具有适宜的介电常数,尽可能高的品质因素Q0,尽可能低的频率温度系数Tf。
15、当前为满足移动电话、汽车雷达、卫星通讯、全球卫星定位系统、射频控制、基地站等民用及军工技术对微波陶瓷元器件日益增长的需要,在微波陶瓷材料研究取得进展的基础上,进一步研究开发高性能同轴谐振器、柱状、环状谐振器、补丁天线等微波陶瓷元器件已提到重要议事日程11。1.4 快离子导体陶瓷快离子导体陶瓷是指电导率可以和液体电解质(如熔盐)相比拟的固态离子导体陶瓷,又称为电解质陶瓷。其离子电导率可达l0-1l0-2S?,活化能低至0.10.2 eV。由于离子导体在传输电荷的同时还伴随有物质的迁移,这使他们具有不同于电子导体的特殊用途。20世纪以来,人们对快离子导体开展了一系列的研究,一方面是对已发现的快离子
16、导体进行了深入的性能和应用研究,并进一步探索新的快离子导体;另一方面对快离子导体的导电机制,包括从晶体结构、离子传导机理及传导动力学等角度进行广泛的探索。现已发现的快离子导体材料有数百种之多,其中较为典型的快离子导体有氧离子导体、钠离子导体、锂离子导体和氢离子导体等。1.4.1 氧离子导体以氧离子为主要载流子的快离子导体,称为氧离子导体。氧离子导体具有特殊的功能,已在工业领域得到应用,如作为高温燃料电池、氧泵的隔膜材料和氧传感器等。在已发现的氧离子导体中,主要是适用于6001 600 和中高氧分压区间的萤石型和钙钛矿型结构的氧化物。发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三价稀土氧化物稳定的Z
17、rO2固溶体,引起了人们的注意。1.4.2 钠离子导体自从1966年美国福特汽车公司发现以钠离子为载流子的-Al2O3在200300 有特别高的离子导电率后,钠离子导体已发展成为一类重要的快离子导体,其中-Al2O3具有重大的理论和实践意义。除此之外,骨架结构钠离子导体的研究也取得了显著进展。1.4.3 锂离子导体随着高能电池研究的发展,以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池,由于寿命长、装配方便、可以小型化等优点已引起人们的重视。锂离子导体的种类很多,按离子传输的通道分为一维、二维、三维传导3大类。一维传导有-锂霞石(-LiAlSiO4)钨青铜结构LixNbxW1-xO3固溶体。锂离子的
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- 电子陶瓷 材料 研究 应用 现状 及其 发展趋势
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