Visión general de Cerámicas Funcionales Avanzadas

Los materiales cerámicos funcionales avanzados son materiales que presentan diversas propiedades, como características eléctricas, magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas y mecánicas, y sus efectos de acoplamiento cruzado. Estos incluyen materiales piezoeléctricos, magnetoeléctricos, termoeléctricos y fotoeléctricos capaces de conversión de energía.

Tipos:

Cerámica electrónica

Cerámicas magnéticas

Cerámica sensible

Cerámica óptica

Biocerámica

Conductores de iones rápidos

Cerámicas superconductoras de alta temperatura

Actualmente, el segmento más grande de la industria de cerámica funcional se centra en cerámica funcional de información o cerámica electrónica utilizada en componentes avanzados. Estos incluyen principalmente:

Cerámicas dieléctricas (cerámicas de aislamiento eléctrico y cerámicas de condensador)

Cerámicas ferroeléctricas

Cerámicas piezoeléctricas

Cerámica para microondas

Cerámicas sensibles a semiconductores

Cerámicas magnéticas

Aplicaciones:

Una gran categoría de dispositivos pasivos basados en cerámica funcional avanzada se aplica ampliamente en campos de alta tecnología como la información electrónica, el control automático, la aeroespacial, la ultrasonografía marina, la energía y el medio ambiente, así como en las industrias de defensa y militares.

Importancia:

Los cerámicos funcionales avanzados se han convertido en un material clave para la próxima generación de componentes electrónicos, sirviendo como fuente y líder en importantes innovaciones en tecnología de la información. Son un campo de investigación activo para la innovación tecnológica y el desarrollo de alta tecnología, y su importancia es solo superada por los circuitos integrados. Este sector representa una de las industrias fundamentales y estratégicas más competitivas y de más rápido crecimiento a nivel mundial.

Estos materiales también son un indicador importante del poder nacional integral y la competitividad internacional de una nación.

Tendencias de Desarrollo de Cerámicas Funcionales Avanzadas:

Tecnología de películas delgadas

Materiales de baja dimensionalidad

Materiales multifásicos

Multifuncionalidad

Texturizado

Estructuras de cristal único

Grandes tamaños, alta uniformidad, alta integridad

Producción de bajo costo

Síntesis a baja temperatura

Coordinación ambiental

Tendencias de Desarrollo de Nuevos Componentes Electrónicos:

Aplicaciones de alta frecuencia

Componentes basados en chips

Miniaturización

Formas delgadas

Bajo consumo de energía

Tasas de respuesta rápida

Alta resolución y precisión.

Alta potencia

Multifuncionalidad

Materiales compuestos

Modularización

Tecnologías inteligentes y verdes

El invento del titanato de bario marcó un hito importante en la cerámica funcional.

Antes de la década de 1940, todos los dieléctricos, incluidos los dieléctricos cerámicos, tenían una constante dieléctrica de no más de 80.

El descubrimiento de materiales cerámicos de alta constante dieléctrica basados en titanato de bario aumentó la constante dieléctrica de las cerámicas en casi tres órdenes de magnitud.

Estos materiales se aplicaron rápidamente para producir condensadores de alta capacidad para todas las bandas de frecuencia, incluidas las frecuencias de microondas.

Para la segunda mitad del siglo XX, los materiales dieléctricos cerámicos basados en titanato de bario experimentaron un rápido desarrollo, formando una industria a escala que produce diversos condensadores cerámicos para diversas aplicaciones.

La década de 1940 vio el desarrollo del titanato de bario, seguido por cerámicas de titanato de plomo y circonato en la década de 1950.

Estos materiales pronto se utilizaron para la conversión de energía y en varios transductores hidroacústicos, ultrasónicos y electroacústicos.

La introducción de cerámicas piezoeléctricas solidificó la posición de las cerámicas funcionales dentro del campo de los nuevos materiales inorgánicos.

En la década de 1970, el exitoso desarrollo de cerámicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) y coeficiente de temperatura negativo (NTC) marcó una nueva era.

Los materiales cerámicos dejaron de estar limitados a ser materiales aislantes tradicionales y se convirtieron en componentes activos en aplicaciones electrónicas.

Los avances en la teoría ferroeléctrica y sus aplicaciones, como la memoria ferroeléctrica, los sensores piroeléctricos infrarrojos y los efectos fotoeléctricos, marcaron el comienzo de una nueva fase de innovación.

Los cerámicos ferroeléctricos surgieron como una clase distinta de cerámicos funcionales.

A partir de la década de 1980, la investigación sobre la transformación de fases y la superconductividad amplió el alcance de las cerámicas funcionales.

Se logró un avance significativo en el desarrollo de cerámicas con una dureza excepcional, una resistencia ultra alta, una alta resistencia térmica y una alta transparencia a la luz y ciertos tipos de radiación.

Clasificación y Aplicaciones de Cerámicas Funcionales

Los condensadores cerámicos son el tipo de condensadores más ampliamente utilizado en la tecnología electrónica. Sus componentes principales incluyen rutilo, titanato de bario, titanato de estroncio de bario, titanato de plomo, estannato y circonato.

Sus estructuras incluyen cerámicas de alta tensión tipo disco, condensadores de capa de límite de grano y condensadores cerámicos multicapa (MLCC).

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCCs) son un componente electrónico crucial ampliamente utilizado en varios circuitos montados en superficie en productos de información electrónica. Las principales direcciones de desarrollo para los MLCCs incluyen alta capacidad, capas delgadas, bajo costo y alta confiabilidad.

Materiales Clave y Aplicaciones:

Materiales dieléctricos cerámicos: Estos son críticos para determinar el rendimiento de los MLCCs. Las cerámicas ferroeléctricas de titanato de bario son el material principal.

Plomo Zirconato Titanato (PZT): Predominantemente utilizado en transductores ultrasónicos, resonadores piezoeléctricos, filtros, micro-desplazadores y actuadores piezoeléctricos.

Cerámicas piezoeléctricas sin plomo: Recientemente, las cerámicas piezoeléctricas sin plomo han ganado atención como materiales respetuosos con el medio ambiente. Estas se basan principalmente en titanatos, niobatos y zincatos, y se consideran materiales dieléctricos de alta frecuencia, baja pérdida y estables a la temperatura.

Aplicaciones en Comunicaciones de Microondas:

Utilizado en resonadores de microondas, filtros, osciladores, desfasadores, condensadores, antenas y sustratos, desempeñando un papel crucial en las comunicaciones móviles, comunicaciones por satélite, GPS, Bluetooth, WLAN y otras tecnologías modernas de comunicación por microondas.

En comparación con los resonadores de cavidad metálica, los resonadores dieléctricos de microondas ofrecen un tamaño más pequeño, peso más ligero, mejor estabilidad térmica y costos más bajos, lo que los hace esenciales para dispositivos de comunicación miniaturizados e integrados.

Materiales para Cerámicas Funcionales:

Los cerámicos de alta tensión, componentes cerámicos, sustratos y materiales de embalaje cerámico multicapa son esenciales en electrónica, microelectrónica y optoelectrónica. Estos incluyen cerámicos de talco, cerámicos de mullita, cerámicos de corindón, alúmina y nitruro de aluminio.

• Composición: BaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, SiC, ZnO, Bi2O3, SnO2, MgCr2O4, etc.

Aplicaciones en Sensores y Dispositivos Magnéticos:

Los cerámicos funcionales se utilizan en componentes y sensores sensibles a la temperatura, a la presión, a la luz, al gas y a la humedad.

Son los materiales base para varios dispositivos magnéticos e inductivos, incluidos ferritas blandas, imanes permanentes y aleaciones magnéticas blandas nanocristalinas. Ejemplos clave incluyen ferritas de manganeso-zinc, ferritas de níquel-zinc y imanes permanentes de tierras raras de neodimio-hierro-boro.

Dispositivos de alta frecuencia:

Los dispositivos de onda acústica de superficie (SAW) dominan las aplicaciones de alta frecuencia. Los materiales incluyen cristales de cuarzo, niobato de litio, tantalato de litio, tetraborato de litio y nuevos cristales piezoeléctricos como La3Ga5SiO14 (LGS).

Los cristales únicos piezoeléctricos y ferroeléctricos de relaxor como PMN-PT y PZN-PT han logrado avances significativos en la imagen médica por ultrasonido.

Otros materiales cerámicos avanzados:

Cerámicas funcionales de película delgada, cerámicas electro-ópticas transparentes PLZT, cerámicas de infrarrojo lejano, compuestos piezoeléctricos, compuestos magnetoeléctricos, materiales conductores transparentes ITO y ATO, cerámicas conductoras de iones rápidos (por ejemplo, SOFC y materiales de electrodos de baterías de iones de litio), biocerámicas, cerámicas superconductoras de alta temperatura y cerámicas de reactores nucleares.

Puntos Calientes de Investigación:

Cerámicas piezoeléctricas sin plomo:

Con el aumento de la conciencia ambiental, las cerámicas piezoeléctricas libres de plomo se han convertido en un importante foco de investigación. Los investigadores están explorando materiales alternativos como las cerámicas a base de bismuto y metales alcalinos para reemplazar el titanato de circonato de plomo tradicional (PZT).

Materiales dieléctricos de alto rendimiento:

Se están realizando esfuerzos para desarrollar materiales dieléctricos con una mayor permitividad, menores pérdidas y una mejor estabilidad a la temperatura para satisfacer las demandas de los dispositivos electrónicos modernos de alta frecuencia y miniaturizados.

Cerámicas dieléctricas de microondas:

La investigación sobre materiales cerámicos de microondas se centra en lograr estabilidad de alta frecuencia, bajo costo y compatibilidad con técnicas de procesamiento multicapa, especialmente para su uso en comunicaciones 5G y tecnología satelital.

Cristales únicos piezoeléctricos avanzados:

Los cristales únicos ferroeléctricos Relaxor como PMN-PT y PZN-PT se están desarrollando aún más para mejorar sus propiedades piezoeléctricas para aplicaciones en imágenes médicas y actuadores de precisión.

Cerámicas compuestas multifuncionales

El rendimiento de los cerámicos depende en gran medida de la calidad de los materiales en polvo crudos. Las cerámicas funcionales avanzadas generalmente tienen los siguientes requisitos para los polvos crudos:

Alta pureza de los componentes principales en estado compuesto.

Para polvos de óxido compuesto, se requiere una fase cristalina específica, o el contenido de esta fase debe cumplir con un umbral mínimo.

Requisitos específicos para el tamaño de partícula y uniformidad del polvo.

Proporciones estequiométricas de óxidos elementales en polvos de óxidos compuestos.

Partículas de polvo con una morfología uniforme y bien definida.

(2) Dielectricos de almacenamiento de energía cerámica de alto rendimiento

Los condensadores de almacenamiento de energía ofrecen ventajas como alta densidad de energía, tasas de carga y descarga rápidas, resistencia al envejecimiento cíclico y rendimiento estable en condiciones extremas como alta temperatura y alto voltaje. Tienen amplias perspectivas de aplicación en campos como vehículos eléctricos, electrónica de potencia, fuentes de alimentación de pulso, armas de alta densidad energética, energía renovable y sistemas de redes inteligentes.

(3) Cerámicas dieléctricas y sus componentes

La miniaturización (incluido el empaquetado a escala de chips) es uno de los objetivos clave en el desarrollo actual de componentes. Lograr esto requiere:

Mejorando el rendimiento de los materiales cerámicos.

Desarrollar procesos y tecnologías de fabricación avanzados.

(4) Cerámicas piezoeléctricas y ferroeléctricas y sus componentes

Los cerámicos piezoeléctricos ocupan una posición destacada en los materiales cerámicos funcionales de información. Los actuadores piezoeléctricos ofrecen ventajas como alta precisión en el control de desplazamiento, respuesta rápida, fuerza de accionamiento alta, bajo consumo de energía y un amplio rango de frecuencia de operación. Como resultado, los cerámicos piezoeléctricos se utilizan ampliamente en sensores y actuadores electromecánicos. Componentes como resonadores, filtros, dispositivos de ondas acústicas de superficie y actuadores cerámicos piezoeléctricos desempeñan roles cruciales en la tecnología de la información.

(5) Cerámicas piezoeléctricas libres de plomo respetuosas con el medio ambiente

Actualmente, las cerámicas piezoeléctricas sin plomo se clasifican principalmente en tres sistemas: BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 y K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Entre ellos, BaTiO3 y Na0.5Bi0.5TiO3 presentan un rendimiento piezoeléctrico y una temperatura de Curie relativamente más bajos, utilizándose principalmente en detectores ultrasónicos. KNN, con su menor temperatura de sinterización, alta temperatura de Curie y alto coeficiente piezoeléctrico, muestra potencial para reemplazar al PZT como un material alternativo viable.

Multiferroicos con coexistencia de ferroelectricidad y ferromagnetismo, y acoplamiento magnetoelectrico.

La tendencia hacia la miniaturización de componentes ha aumentado la investigación en materiales multifuncionales que integran propiedades dieléctricas y magnéticas. Los materiales multiferroicos exhiben características ferroeléctricas/piezoeléctricas y ferromagnéticas, y lo que es más importante, demuestran efectos magnetoelectricos, como la magnetización inducida por un campo eléctrico o la polarización inducida por un campo magnético. Estos materiales ofrecen un potencial significativo para desarrollar nuevas tecnologías de procesamiento de información y dispositivos sensores magnetoelectricos basados en la integración de efectos ferroeléctricos/piezoeléctricos y magnéticos. Recientemente, esto se ha convertido en un campo de investigación de vanguardia a nivel internacional.

(7) Gran Efecto Electrocálorico

El efecto electrocalórico se refiere al cambio de temperatura adiabático o cambio de entropía isotérmica en materiales polares causado por alteraciones en los estados de polarización debido a un campo eléctrico externo. Los informes sobre el efecto electrocalórico se remontan a la década de 1930, pero debido a la baja fuerza del campo eléctrico de operación de los materiales cerámicos, los cambios de temperatura adiabáticos observados eran típicamente inferiores a 1°C. En los últimos años, esta área de investigación ha experimentado avances rápidos.

La aparición de la tecnología de integración pasiva.

El surgimiento de la tecnología de integración pasiva, que integra varios componentes electrónicos pasivos (condensadores, inductores, resistencias, sensores, antenas, etc.) en un solo módulo a través de cerámicas cocidas a baja temperatura (LTCC), ha abierto nuevas áreas de aplicación para las cerámicas funcionales. Al mismo tiempo, ha planteado numerosos desafíos científicos en materiales y fabricación.

Desarrollo de nuevos materiales cerámicos funcionales con bajas temperaturas de sinterización y alto rendimiento.

Materiales LTCC de cero contracción.

Materiales LTCC de radiofrecuencia/microondas.

Técnicas para formar e interconectar electrodos internos en dispositivos cerámicos en 3D y de estructuras complejas.

Métodos de cinta de bajo costo para membranas cerámicas ultrafinas de alta densidad.

Controlar los comportamientos de densificación de co-combustión y la compatibilidad de interfaces en materiales heterogéneos.

Modelado, simulación, principios de diseño y optimización del rendimiento en sistemas cerámicos integrados, incluido el análisis de distribución de campo.