Überblick über fortschrittliche Funktionskeramik

Konzept: Fortgeschrittene Funktionskeramiken sind Materialien, die verschiedene Eigenschaften aufweisen - wie elektrische, magnetische, optische, akustische, thermische und mechanische Eigenschaften - sowie ihre Kreuzkopplungseffekte. Dazu gehören piezoelektrische, magnetoelektrische, thermoelektrische und photoelektrische Materialien, die zur Energieumwandlung fähig sind.

Arten:

Elektronische Keramik

Magnetische Keramik

Empfindliche Keramik

Optische Keramik

Biokeramik

Schnelle Ionenleiter

Hochtemperatursupraleiter-Keramiken

Derzeit konzentriert sich das größte Segment der funktionalen Keramikindustrie auf Informationsfunktionskeramik oder elektronische Keramik, die in fortschrittlichen Komponenten verwendet wird. Diese umfassen hauptsächlich:

Dielektrische Keramik (elektrische Isolationskeramik und Kondensator-Keramik)

Ferroelektrische Keramik

Piezoelektrische Keramik

Mikrowellenkeramik

Halbleiterempfindliche Keramik

Magnetische Keramik

Anwendungen:

Eine große Kategorie passiver Geräte auf der Basis fortschrittlicher Funktionskeramik wird weit verbreitet in High-Tech-Bereichen wie der elektronischen Informationstechnologie, der automatischen Steuerung, der Luft- und Raumfahrt, der Meeresultraschalltechnik, der Energie- und Umwelttechnik sowie in Verteidigungs- und Militärindustrien eingesetzt.

Bedeutung:

Fortgeschrittene Funktionskeramiken sind zu einem Schlüsselmaterial für die nächste Generation von elektronischen Bauteilen geworden und dienen als Quelle und Vorreiter bei wichtigen Innovationen in der Informationstechnologie. Sie sind ein aktives Forschungsfeld für technologische Innovation und High-Tech-Entwicklung, und ihre Bedeutung steht nur hinter integrierten Schaltkreisen zurück. Dieser Sektor repräsentiert eine der wettbewerbsfähigsten und am schnellsten wachsenden grundlegenden und strategischen Branchen weltweit.

Diese Materialien sind auch ein wichtiger Indikator für die umfassende nationale Stärke und internationale Wettbewerbsfähigkeit eines Landes.

Entwicklungstrends von fortschrittlichen Funktionskeramiken:

Dünnschichttechnologie

Niedrigdimensionale Materialien

Mehrphasenmaterialien

Multifunktionalität

Texturierung

Einkristallstrukturen

Große Größen, hohe Gleichmäßigkeit, hohe Integrität

Kostengünstige Produktion

Niedertemperatursynthese

Umweltkoordination

Entwicklungstrends neuer elektronischer Bauteile:

Häufig verwendete Anwendungen

Chip-basierte Komponenten

Miniaturisierung

Dünne Formfaktoren

Niedriger Stromverbrauch

Schnelle Reaktionszeiten

Hohe Auflösung und Präzision

Hohe Leistung

Multifunktionalität

Verbundwerkstoffe

Modularisierung

Intelligente und grüne Technologien

Die Erfindung von Bariumtitanat markierte einen wichtigen Meilenstein in der Funktionskeramik.

Vor den 1940er Jahren hatte alle Dielektrika, einschließlich keramischer Dielektrika, eine Dielektrizitätskonstante von höchstens 80.

Die Entdeckung von hochdielektrischen keramischen Materialien auf Basis von Bariumtitanat erhöhte die Dielektrizitätskonstante von Keramiken um fast drei Größenordnungen.

Diese Materialien wurden schnell angewendet, um Hochleistungskondensatoren für alle Frequenzbänder, einschließlich Mikrowellenfrequenzen, herzustellen.

Bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erlebten bariumtitanatbasierte keramische Dielektrikamaterialien eine rasche Entwicklung und bildeten eine skalierte Industrie, die verschiedene keramische Kondensatoren für vielfältige Anwendungen herstellte.

Die späten 1940er Jahre sahen die Entwicklung von Bariumtitanat, gefolgt von Bleizirkonattitanat-Keramiken in den 1950er Jahren.

Diese Materialien wurden bald zur Energieumwandlung und in verschiedenen hydroakustischen, ultraschall- und elektroakustischen Wandlern verwendet.

Die Einführung von piezoelektrischen Keramiken festigte die Position der funktionalen Keramik innerhalb des Bereichs der anorganischen neuen Materialien.

In den 1970er Jahren läutete die erfolgreiche Entwicklung von Keramiken mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) eine neue Ära ein.

Keramikmaterialien waren nicht mehr auf traditionelle Isoliermaterialien beschränkt, sondern wurden zu aktiven Komponenten in elektronischen Anwendungen.

Fortschritte in der ferroelektrischen Theorie und ihren Anwendungen - wie ferroelektrischer Speicher, Infrarot-Pyroelektrik-Sensoren und photoelektrische Effekte - läuteten eine neue Phase der Innovation ein.

Ferroelektrische Keramik entstand als eine eigene Klasse von Funktionskeramiken.

Beginnend in den 1980er Jahren erweiterte die Forschung zu Phasenumwandlung und Supraleitung den Bereich der funktionalen Keramik.

Erhebliche Fortschritte wurden auch bei der Entwicklung von Keramik mit außergewöhnlicher Härte, ultrahoher Festigkeit, hoher Wärmebeständigkeit und hoher Lichtdurchlässigkeit sowie bestimmten Arten von Strahlung erzielt.

Klassifizierung und Anwendungen von Funktionskeramik

Keramikkondensatoren sind die am weitesten verbreitete Art von Kondensatoren in der Elektroniktechnologie. Ihre Hauptbestandteile sind Rutil, Bariumtitanat, Bariumstrontiumtitanat, Bleititanat, Zinnat und Zirkonat.

Ihre Strukturen umfassen Scheiben-Hochspannungskeramiken, Korngrenzschichtkondensatoren und Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC).

MLCCs (Multilayer Ceramic Capacitors) sind ein entscheidendes elektronisches Bauteil, das weit verbreitet in verschiedenen oberflächenmontierten Schaltungen in elektronischen Informationsprodukten eingesetzt wird. Die Hauptentwicklungsrichtungen für MLCCs umfassen hohe Kapazität, dünne Schichten, niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit.

Schlüsselmaterialien und Anwendungen:

Keramische Dielektrika: Diese sind entscheidend für die Leistung von MLCCs. Bariumtitanat-Ferroelektrikum-Keramiken sind das Hauptmaterial.

• Lead Zirkonat Titanat (PZT): Hauptsächlich verwendet in Ultraschallwandler, piezoelektrischen Resonatoren, Filtern, Mikro-Verdrängern und piezoelektrischen Aktuatoren.

Blei-freie Piezokeramiken: In letzter Zeit haben bleifreie Piezokeramiken als umweltfreundliche Materialien Aufmerksamkeit erregt. Diese basieren hauptsächlich auf Titanaten, Niobaten und Zinkaten und gelten als hochfrequente, verlustarme und temperaturstabile dielektrische Materialien.

Anwendungen in der Mikrowellenkommunikation:

• Verwendet in Mikrowellenresonatoren, Filtern, Oszillatoren, Phasenschiebern, Kondensatoren, Antennen und Substraten, spielt eine entscheidende Rolle in der mobilen Kommunikation, Satellitenkommunikation, GPS, Bluetooth, WLAN und anderen modernen Mikrowellenkommunikationstechnologien.

Im Vergleich zu Metallhohlraumresonatoren bieten Mikrowellendielektrikresonatoren kleinere Größe, geringeres Gewicht, bessere Temperaturstabilität und niedrigere Kosten, was sie für miniaturisierte und integrierte Kommunikationsgeräte unverzichtbar macht.

Materialien für Funktionskeramik:

Hochspannungskeramik, Keramikkomponenten, Substrate und Mehrschicht-Keramikverpackungsmaterialien sind in der Elektronik, Mikroelektronik und Optoelektronik unverzichtbar. Dazu gehören Talkeramik, Mullitkeramik, Korundkeramik, Tonerde und Aluminiumnitrid.

• Zusammensetzung: BaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, SiC, ZnO, Bi2O3, SnO2, MgCr2O4, usw.

Anwendungen in Sensoren und magnetischen Geräten:

Funktionale Keramik wird in temperatursensitiven, drucksensitiven, lichtsensitiven, gassensitiven und feuchtigkeitssensitiven Bauteilen und Sensoren verwendet.

Sie sind die Grundmaterialien für verschiedene magnetische und induktive Geräte, einschließlich weicher Ferrite, Permanentmagnete und nanokristalline weiche magnetische Legierungen. Zu den wichtigsten Beispielen gehören Mangan-Zink-Ferrite, Nickel-Zink-Ferrite und Neodym-Eisen-Bor-Seltenerd-Dauermagnete.

Hochfrequenzgeräte:

Oberflächenwellen (SAW)-Geräte dominieren Hochfrequenzanwendungen. Materialien umfassen Quarzkristalle, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lithiumtetraborat und neue piezoelektrische Einkristalle wie La3Ga5SiO14 (LGS).

Entspannende ferroelektrische piezoelektrische Einkristalle wie PMN-PT und PZN-PT haben signifikante Fortschritte in der medizinischen Ultraschallbildgebung gemacht.

Andere fortschrittliche Funktionskeramiken:

Dünnschicht-Funktionskeramik, PLZT transparente elektrooptische Keramik, Ferninfrarot-Keramik, piezoelektrische Verbundwerkstoffe, magnetoelektrische Verbundwerkstoffe, ITO- und ATO-transparente leitfähige Materialien, schnelle Ionenleiterkeramik (z. B. SOFC und Lithium-Ionen-Batterieelektrodenmaterialien), Biokeramik, Hochtemperatursupraleiterkeramik und Kernreaktor-Keramik.

Forschungsschwerpunkte:

Blei-freie Piezokeramik:

Mit dem zunehmenden Umweltbewusstsein sind bleifreie piezoelektrische Keramiken zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden. Forscher erkunden alternative Materialien wie bismuthbasierte und alkalimetallbasierte Keramiken, um das traditionelle Bleizirkonattitanat (PZT) zu ersetzen.

Hochleistungs-Dielektrikum-Materialien:

Es werden Anstrengungen unternommen, dielektrische Materialien mit höherer Permittivität, geringeren Verlusten und besserer Temperaturstabilität zu entwickeln, um den Anforderungen moderner Hochfrequenz- und miniaturisierter elektronischer Geräte gerecht zu werden.

Mikrowellen-Dielektrikumkeramik:

Forschung zu Mikrowellen-Keramikmaterialien konzentriert sich auf die Erzielung von hoher Frequenzstabilität, geringen Kosten und Kompatibilität mit Mehrschichtverarbeitungstechniken, insbesondere für den Einsatz in der 5G-Kommunikation und Satellitentechnologie.

4. Fortgeschrittene piezoelektrische Einkristalle:

Relaxor-Ferroelektrik-Einkristalle wie PMN-PT und PZN-PT werden weiterentwickelt, um ihre piezoelektrischen Eigenschaften für Anwendungen in der medizinischen Bildgebung und Präzisionsaktoren zu verbessern.

Multifunktionale Verbundkeramiken

Die Leistung von Keramik hängt weitgehend von der Qualität der Rohpulvermaterialien ab. Fortgeschrittene Funktionskeramiken haben in der Regel folgende Anforderungen an Rohpulver:

Hochreine Verbindungszustandsinhalte der Hauptbestandteile.

Für Verbundoxidpulver ist eine spezifische Kristallphase erforderlich oder der Gehalt dieser Phase muss einen Mindestschwellenwert erreichen.

Spezifische Anforderungen an die Pulverpartikelgröße und -gleichmäßigkeit.

Stöchiometrische Verhältnisse von elementaren Oxiden in Verbundoxidpulvern.

Pulverpartikel mit einer gleichmäßigen und klar definierten Morphologie.

(2) Hochleistungskeramik-Energiespeicher-Dielektrika

Energiespeicherkondensatoren bieten Vorteile wie hohe Energiedichte, schnelle Lade- und Entladeraten, Widerstand gegen zyklische Alterung und stabile Leistung unter extremen Bedingungen wie hoher Temperatur und hoher Spannung. Sie haben breite Anwendungsaussichten in Bereichen wie Elektrofahrzeuge, Leistungselektronik, Impulsstromversorgungen, Waffen mit hoher Energiedichte, erneuerbare Energien und intelligente Netzsysteme.

Dielektrische Keramiken und ihre Komponenten

Miniaturisierung (einschließlich Chip-Scale-Packaging) ist eines der Hauptziele in der aktuellen Komponentenentwicklung. Dies erfordert:

Die Leistung von keramischen Materialien verbessern.

Entwicklung fortschrittlicher Fertigungsprozesse und Technologien.

Piezoelektrische und ferroelektrische Keramiken und ihre Komponenten

Piezoelektrische Keramiken nehmen eine herausragende Stellung unter den funktionalen keramischen Materialien ein. Piezoelektrische Aktuatoren bieten Vorteile wie hohe Präzision bei der Verschiebungssteuerung, schnelle Reaktion, hohe Antriebskraft, geringen Stromverbrauch und einen weiten Betriebsfrequenzbereich. Daher werden piezoelektrische Keramiken weit verbreitet in elektromechanischen Sensoren und Aktuatoren eingesetzt. Komponenten wie Resonatoren, Filter, Oberflächenwellengeräte und piezoelektrische Keramikaktuatoren spielen eine entscheidende Rolle in der Informationstechnologie.

Umweltfreundliche bleifreie piezoelektrische Keramiken

Derzeit werden bleifreie piezoelektrische Keramiken hauptsächlich in drei Systeme eingeteilt: BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 und K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Unter ihnen zeigen BaTiO3 und Na0.5Bi0.5TiO3 eine relativ niedrigere piezoelektrische Leistung und Curie-Temperatur und werden hauptsächlich in Ultraschall-Detektoren verwendet. KNN, mit seiner niedrigeren Sintertemperatur, hohen Curie-Temperatur und hohen piezoelektrischen Koeffizienten, zeigt das Potenzial, PZT als eine geeignete alternative Material zu ersetzen.

Multiferroika mit gleichzeitigem Ferroelektrizität und Ferromagnetismus sowie magnetoelektrischer Kopplung

Der Trend zur Miniaturisierung von Komponenten hat die Forschung zu multifunktionalen Materialien, die dielektrische und magnetische Eigenschaften integrieren, verstärkt. Multiferroische Materialien zeigen sowohl ferroelektrische/piezoelektrische als auch ferromagnetische Eigenschaften und demonstrieren vor allem magnetoelektrische Effekte - wie Magnetisierung, die durch ein elektrisches Feld induziert wird, oder Polarisation, die durch ein magnetisches Feld induziert wird. Diese Materialien bieten ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung neuer Informationsverarbeitungstechnologien und magnetoelektrischer Sensorgeräte auf der Grundlage der Integration von ferroelektrischen/piezoelektrischen und magnetischen Effekten. In letzter Zeit ist dies zu einem international führenden Forschungsfeld geworden.

(7) Riesiger elektrokalorischer Effekt

Der elektrokalorische Effekt bezieht sich auf die adiabatische Temperaturänderung oder isotherme Entropieänderung in polaren Materialien, die durch Veränderungen der Polarisation aufgrund eines externen elektrischen Feldes verursacht werden. Berichte über den elektrokalorischen Effekt reichen bis in die 1930er Jahre zurück, aber aufgrund der niedrigen Betriebsspannung von keramischen Materialien waren die beobachteten adiabatischen Temperaturänderungen in der Regel weniger als 1°C. In den letzten Jahren hat dieser Forschungsbereich rasante Fortschritte gemacht.

Aufkommen passiver Integrations technologie

Der Aufstieg der passiven Integrations technologie, die verschiedene passive elektronische Komponenten (Kondensatoren, Induktoren, Widerstände, Sensoren, Antennen usw.) über keramische Niedrigtemperatur-Kofeuerung (LTCC) in ein einziges Modul integriert, hat neue Anwendungsbereiche für funktionale Keramiken erschlossen. Gleichzeitig hat es zahlreiche wissenschaftliche Herausforderungen in Materialien und Fertigung aufgeworfen, einschließlich:

Entwicklung neuer funktionaler keramischer Materialien mit sowohl niedrigen Sintertemperaturen als auch hoher Leistung.

Nullschrumpfende LTCC-Materialien.

RF/Mikrowellen-LTCC-Materialien.

Techniken zur Bildung und Verbindung interner Elektroden in 3D- und komplex strukturierten keramischen Geräten.

Kostengünstige Bandgießverfahren für hochdichte ultradünne keramische Membranen.

Steuerung der Verdichtungsverhalten und der Schnittstellenkompatibilität bei heterogenen Materialien.

Modellierung, Simulation, Designprinzipien und Leistungsoptimierung in integrierten Keramiksystemen, einschließlich Feldverteilungsanalyse.