先进功能陶瓷概述

先进功能陶瓷是表现出各种性质的材料，如电学、磁学、光学、声学、热学和机械特性，以及它们之间的交叉耦合效应。这些包括压电、磁电、热电和光电材料，能够进行能量转换。

类型:

电子陶瓷

磁性陶瓷

敏感陶瓷

光学陶瓷

生物陶瓷

快离子导体

高温超导陶瓷

目前，功能陶瓷行业中最大的部分集中在用于先进元件的信息功能陶瓷或电子陶瓷。这些主要包括：

介电陶瓷（电气绝缘陶瓷和电容器陶瓷）

铁电陶瓷

压电陶瓷

微波陶瓷

半导体敏感陶瓷

磁性陶瓷

应用程序:

基于先进功能陶瓷的大类被动器件广泛应用于电子信息、自动控制、航空航天、海洋超声波、能源环境以及国防军工等高科技领域。

重要性:

先进功能陶瓷已成为下一代电子元器件的关键材料，成为信息技术主要创新的源泉和领导者。它们是技术创新和高科技发展的活跃研究领域，其重要性仅次于集成电路。该领域代表着全球最具竞争力和快速增长的基础性和战略性产业之一。

这些材料也是一个国家综合国力和国际竞争力的重要指标。

先进功能陶瓷的发展趋势:

薄膜技术

低维材料

多相材料

多功能性

纹理化

单晶结构

大尺寸、高一致性、高完整性

低成本生产

低温合成

环境协调

新电子元件的发展趋势:

高频应用

芯片组件

微型化

薄型外形

低功耗

快速响应率

高分辨率和精准度

高功率

多功能性

复合材料

模块化

智能和绿色技术

钛酸钡的发明标志着功能陶瓷领域的重要里程碑。

在1940年代之前，所有的介质，包括陶瓷介质，在介电常数方面都不超过80。

基于钛酸钡的高介电陶瓷材料的发现将陶瓷的介电常数提高了近三个数量级。

这些材料被迅速应用于生产高容量电容器，适用于所有频段，包括微波频率。

20世纪下半叶，基于钛酸钡的陶瓷介质材料经历了快速发展，形成了一个规模化产业，生产各种用于不同应用的陶瓷电容器。

20世纪40年代末出现了钛酸钡的发展，随后在20世纪50年代出现了铅锆钛酸盐陶瓷。

这些材料很快被用于能量转换，并在各种水声、超声和电声换能器中使用。

压电陶瓷的引入巩固了功能陶瓷在无机新材料领域的地位。

在1970年代，陶瓷正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）的成功开发标志着一个新时代的到来。

陶瓷材料不再局限于传统的绝缘材料，而是成为电子应用中的活性组件。

铁电理论及其应用的进展——如铁电存储器、红外热释电传感器和光电效应——开启了创新的新阶段。

铁电陶瓷作为一类独特的功能陶瓷出现。

20世纪80年代开始，对相变和超导研究拓宽了功能陶瓷的范围。

在陶瓷的发展方面也取得了显著进展，这些陶瓷具有异常硬度、超高强度、高热阻性和对光和某些类型辐射的高透明度。

功能陶瓷的分类和应用

陶瓷电容器是电子技术中最常用的电容器类型。它们的主要组成部分包括金红石、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铅、锡酸盐和锆酸盐。

它们的结构包括盘式高压陶瓷、晶界层电容器和多层陶瓷电容器（MLCC）。

多层陶瓷电容器（MLCCs）是电子信息产品中广泛应用的关键电子元件，主要发展方向包括高容量、薄层、低成本和高可靠性。

关键材料和应用:

陶瓷介质材料：这些材料对多层陶瓷电容器的性能起着至关重要的作用。钛酸钡铁电陶瓷是主流材料。

铅锆钛酸铅（PZT）：主要用于超声波换能器、压电谐振器、滤波器、微位移器和压电致动器。

无铅压电陶瓷：最近，无铅压电陶瓷作为环保材料受到关注。这些材料主要基于钛酸盐、铌酸盐和锌酸盐，被认为是高频率、低损耗和温度稳定的介电材料。

微波通信应用

在微波谐振器、滤波器、振荡器、相移器、电容器、天线和基板中使用，对移动通信、卫星通信、GPS、蓝牙、WLAN和其他现代微波通信技术起着至关重要的作用。

与金属腔谐振器相比，微波介质谐振器具有体积更小、重量更轻、温度稳定性更好、成本更低的优势，使其在微型化和集成通信设备中至关重要。

功能陶瓷材料:

高压陶瓷、陶瓷元件、基板和多层陶瓷封装材料在电子、微电子和光电子中至关重要。这些包括滑石陶瓷、莫来石陶瓷、刚玉陶瓷、氧化铝和氮化铝。

• 成分：BaTiO3，SrTiO3，MgTiO3，SiC，ZnO，Bi2O3，SnO2，MgCr2O4 等。

传感器和磁性器件应用:

功能陶瓷被用于温度敏感、压力敏感、光敏感、气敏感和湿敏感的元件和传感器。

它们是各种磁性和感应器件的基础材料，包括软铁氧体、永磁体和纳米晶软磁合金。关键示例包括锰锌铁氧体、镍锌铁氧体和钕铁硼稀土永磁体。

高频设备:

表面声波（SAW）器件主导高频应用。材料包括石英晶体、铌酸锂、钽酸锂、四硼酸锂，以及新的压电单晶材料如La3Ga5SiO14（LGS）。

松弛铁电压电单晶材料，如PMN-PT和PZN-PT，在医学超声成像方面取得了重大进展。

其他高级功能陶瓷:

薄膜功能陶瓷，PLZT透明电光陶瓷，远红外陶瓷，压电复合材料，磁电复合材料，ITO和ATO透明导电材料，快离子导体陶瓷（例如SOFC和锂离子电池电极材料），生物陶瓷，高温超导陶瓷和核反应堆陶瓷。

研究热点:

无铅压电陶瓷:

随着环境意识的增强，无铅压电陶瓷已成为主要研究焦点。研究人员正在探索替代材料，如基于铋和碱金属的陶瓷，以取代传统的铅锆钛酸铅（PZT）。

高性能介质材料:

正在努力开发具有更高介电常数、更低损耗和更好温度稳定性的介质材料，以满足现代高频和微型化电子设备的需求。

微波介质陶瓷:

微波陶瓷材料的研究主要集中在实现高频稳定性、低成本以及与多层加工技术兼容，特别是用于5G通信和卫星技术。

先进压电单晶:

放松铁电单晶体如PMN-PT和PZN-PT正在进一步开发，以改善它们的压电性能，用于医学成像和精密执行器的应用。

多功能复合陶瓷

陶瓷的性能很大程度上取决于原始粉料的质量。先进的功能陶瓷通常对原始粉料有以下要求：

高纯度化合物的主要组分内容。

对于复合氧化物粉末，需要特定的晶相，或者该相的含量必须达到最低阈值。

粉末颗粒尺寸和均匀性的具体要求。

复合氧化物粉末中元氧化物的化学计量比。

粉末颗粒具有均匀且明确定义的形态。

高性能陶瓷储能介质

储能电容器具有高能量密度、快速充放电速率、抗循环老化、在高温和高电压等极端条件下稳定性能等优势。它们在电动汽车、功率电子、脉冲电源、高能量密度武器、可再生能源和智能电网系统等领域具有广阔的应用前景。

介电陶瓷及其组件

微型化（包括芯片尺寸封装）是当前元件开发的关键目标之一。实现这一目标需要：

提升陶瓷材料的性能。

开发先进的制造工艺和技术。

压电和铁电陶瓷及其组件

压电陶瓷在信息功能陶瓷材料中占据重要地位。压电致动器具有高位移控制精度、快速响应、高驱动力、低功耗和宽工作频率范围等优点。因此，压电陶瓷广泛应用于电机传感器和致动器中。谐振器、滤波器、表面声波器件和压电陶瓷致动器等组件在信息技术中发挥着关键作用。

环保无铅压电陶瓷

目前，无铅压电陶瓷主要分为三个系统：BaTiO3，Na0.5Bi0.5TiO3和K0.5Na0.5NbO3（KNN）。其中，BaTiO3和Na0.5Bi0.5TiO3表现出相对较低的压电性能和居里温度，主要用于超声波探测器。KNN具有较低的烧结温度、高居里温度和高压电系数，显示出取代PZT作为可行替代材料的潜力。

多铁材料具有共存的铁电性和铁磁性，以及磁电耦合。

组件微型化的趋势增加了对集成介电和磁性能的多功能材料的研究。多铁材料表现出铁电/压电和铁磁特性，更重要的是，它们展示了磁电效应——例如电场诱导的磁化或磁场诱导的极化。这些材料为基于铁电/压电和磁性效应集成的新信息处理技术和磁电传感器设备的开发提供了重要潜力。最近，这已成为国际上的前沿研究领域。

(7) 巨大电电热效应

电电热效应是指由于极性材料的极化状态由于外部电场的改变而引起的绝热温度变化或等温熵变化。关于电电热效应的报告可以追溯到上世纪30年代，但由于陶瓷材料的低操作电场强度，观察到的绝热温度变化通常小于1°C。近年来，这一研究领域取得了快速进展。

被动集成技术的出现

被动集成技术的兴起，通过低温共烧陶瓷（LTCC）将各种被动电子元件（电容器、电感器、电阻器、传感器、天线等）集成到单个模块中，为功能陶瓷开辟了新的应用领域。同时，它也在材料和制造方面提出了许多科学挑战。

开发具有低烧结温度和高性能的新功能陶瓷材料。

零收缩LTCC材料。

RF/microwave LTCC材料。

在3D和复杂结构的陶瓷器件中形成和互连内部电极的技术。

低成本的磁带浇铸方法用于高密度超薄陶瓷膜。

控制异质材料中的共燃致密化行为和界面兼容性。

在集成陶瓷系统中的建模、仿真、设计原则和性能优化，包括场分布分析。