Aperçu des céramiques fonctionnelles avancées

Les céramiques fonctionnelles avancées sont des matériaux qui présentent diverses propriétés telles que des caractéristiques électriques, magnétiques, optiques, acoustiques, thermiques et mécaniques, ainsi que leurs effets de couplage croisé. Cela inclut les matériaux piézoélectriques, magnétoélectriques, thermoélectriques et photoélectriques capables de conversion d'énergie.

Types: -> Types:

Céramiques électroniques

Céramiques magnétiques

Céramiques sensibles

Céramiques optiques

Biocéramiques

Conducteurs d'ions rapides

Céramiques supraconductrices à haute température

Actuellement, le plus grand segment de l'industrie des céramiques fonctionnelles se concentre sur les céramiques fonctionnelles d'information ou électroniques utilisées dans les composants avancés. Il s'agit principalement de:

Céramiques diélectriques (céramiques d'isolation électrique et céramiques de condensateur)

Céramiques ferroélectriques

Céramiques piézoélectriques

Céramiques pour micro-ondes

Céramiques sensibles aux semi-conducteurs

Céramiques magnétiques

Applications: -> Applications:

Une grande catégorie de dispositifs passifs basés sur des céramiques fonctionnelles avancées est largement appliquée dans des domaines de haute technologie tels que l'information électronique, le contrôle automatique, l'aérospatiale, l'échographie marine, l'énergie et l'environnement, ainsi que les industries de la défense et militaires.

Signification:

Les céramiques fonctionnelles avancées sont devenues un matériau clé pour la prochaine génération de composants électroniques, servant de source et de leader dans les principales innovations en matière de technologie de l'information. Ils constituent un domaine de recherche actif pour l'innovation technologique et le développement de haute technologie, et leur importance n'est dépassée que par les circuits intégrés. Ce secteur représente l'une des industries fondamentales et stratégiques les plus compétitives et à la croissance la plus rapide au monde.

Ces matériaux sont également un indicateur important de la puissance nationale globale d'une nation et de sa compétitivité internationale.

Tendances de développement des céramiques fonctionnelles avancées:

La technologie des films minces

Matériaux à basse dimension

Matériaux multiphasés

Polyvalence

Texturation

Structures de cristaux uniques

Grandes tailles, haute uniformité, haute intégrité

Production à faible coût

Synthèse à basse température

Coordination environnementale

Tendances de développement des nouveaux composants électroniques:

Applications à haute fréquence

Composants à base de puce

Miniaturisation

• Des facteurs de forme minces

Faible consommation d'énergie

Taux de réponse rapide

Haute résolution et précision

Haute puissance

Polyvalence

Matériaux composites

Modularisation

Technologies intelligentes et écologiques

L'invention du titanate de baryum a marqué une étape importante dans les céramiques fonctionnelles.

Avant les années 1940, tous les diélectriques, y compris les diélectriques en céramique, avaient une constante diélectrique de pas plus de 80.

La découverte de matériaux céramiques à haute constante diélectrique basés sur le titanate de baryum a augmenté la constante diélectrique des céramiques de près de trois ordres de grandeur.

Ces matériaux ont été rapidement appliqués pour produire des condensateurs haute capacité pour toutes les bandes de fréquence, y compris les fréquences micro-ondes.

Vers la seconde moitié du XXe siècle, les matériaux diélectriques céramiques à base de titanate de baryum ont connu un développement rapide, formant une industrie à grande échelle produisant divers condensateurs céramiques pour des applications diverses.

Les années 1940 ont vu le développement du titanate de baryum, suivi par les céramiques de titanate de plomb zirconate dans les années 1950.

Ces matériaux ont rapidement été utilisés pour la conversion d'énergie et dans divers transducteurs hydroacoustiques, ultrasoniques et électroacoustiques.

L'introduction des céramiques piézoélectriques a solidifié la position des céramiques fonctionnelles dans le domaine des nouveaux matériaux inorganiques.

Dans les années 1970, le développement réussi de céramiques à coefficient de température positif (PTC) et négatif (NTC) a marqué une nouvelle ère.

Les matériaux céramiques n'étaient plus limités à être des matériaux isolants traditionnels mais sont devenus des composants actifs dans les applications électroniques.

Les progrès dans la théorie des ferroélectriques et ses applications, telles que la mémoire ferroélectrique, les capteurs pyroélectriques infrarouges et les effets photoélectriques, ont ouvert une nouvelle phase d'innovation.

Les céramiques ferroélectriques ont émergé comme une classe distincte de céramiques fonctionnelles.

À partir des années 1980, la recherche sur la transformation de phase et la supraconductivité a élargi le champ des céramiques fonctionnelles.

Des progrès significatifs ont également été réalisés dans le développement de céramiques présentant une dureté exceptionnelle, une résistance ultra-élevée, une haute résistance thermique et une grande transparence à la lumière et à certains types de rayonnements.

Classification et applications des céramiques fonctionnelles

Les condensateurs céramiques sont le type de condensateurs le plus largement utilisé dans la technologie électronique. Leurs composants principaux comprennent le rutile, le titanate de baryum, le titanate de baryum-strontium, le titanate de plomb, le stannate et le zirconate.

Leurs structures comprennent des céramiques haute tension de type disque, des condensateurs à couche de limite de grain et des condensateurs céramiques multicouches (MLCC).

Les MLCC (condensateurs céramiques multicouches) sont un composant électronique crucial largement utilisé dans divers circuits montés en surface dans les produits d'information électronique. Les principales directions de développement des MLCC comprennent une capacité élevée, des couches minces, un faible coût et une haute fiabilité.

Matériaux clés et applications:

Matériaux diélectriques en céramique : Ils sont essentiels pour déterminer les performances des MLCC. Les céramiques ferroélectriques au titanate de baryum sont les matériaux dominants.

Plomb Zirconate Titanate (PZT) : Principalement utilisé dans les transducteurs ultrasonores, les résonateurs piézoélectriques, les filtres, les micro-déplaceurs et les actionneurs piézoélectriques.

Céramiques piézoélectriques sans plomb : Récemment, les céramiques piézoélectriques sans plomb ont attiré l'attention en tant que matériaux respectueux de l'environnement. Ils sont principalement basés sur des titanates, des niobates et des zincates, et sont considérés comme des matériaux diélectriques haute fréquence, à faible perte et stables en température.

Applications in Microwave Communications: Applications dans les communications par micro-ondes.

Utilisé dans les résonateurs micro-ondes, les filtres, les oscillateurs, les déphaseurs, les condensateurs, les antennes et les substrats, jouant un rôle crucial dans les communications mobiles, les communications par satellite, le GPS, le Bluetooth, le WLAN et d'autres technologies modernes de communication par micro-ondes.

Par rapport aux résonateurs à cavité métallique, les résonateurs diélectriques micro-ondes offrent une taille plus petite, un poids plus léger, une meilleure stabilité thermique et des coûts plus bas, ce qui les rend essentiels pour les dispositifs de communication miniaturisés et intégrés.

Matériaux pour les céramiques fonctionnelles:

Les céramiques haute tension, les composants en céramique, les substrats et les matériaux d'emballage en céramique multicouche sont essentiels dans l'électronique, la microélectronique et l'optoélectronique. Cela inclut les céramiques de talc, les céramiques de mullite, les céramiques de corindon, l'alumine et le nitrure d'aluminium.

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

Applications in Sensors and Magnetic Devices: Applications dans les capteurs et les dispositifs magnétiques:

Les céramiques fonctionnelles sont utilisées dans les composants et capteurs sensibles à la température, à la pression, à la lumière, aux gaz et à l'humidité.

Ce sont les matériaux de base pour divers dispositifs magnétiques et inductifs, y compris les ferrites doux, les aimants permanents et les alliages magnétiques doux nanocristallins. Des exemples clés incluent les ferrites de manganèse-zinc, les ferrites de nickel-zinc et les aimants permanents en terre rare néodyme-fer-bore.

Dispositifs haute fréquence:

Les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) dominent les applications haute fréquence. Les matériaux comprennent des cristaux de quartz, du niobate de lithium, du tantale de lithium, du tétraborate de lithium, et de nouveaux cristaux piézoélectriques simples comme le La3Ga5SiO14 (LGS).

Les cristaux simples relaxor ferroélectriques piézoélectriques tels que le PMN-PT et le PZN-PT ont réalisé des avancées significatives dans l'imagerie par ultrasons médicale.

Autres céramiques fonctionnelles avancées:

Céramiques fonctionnelles à films minces, céramiques électro-optiques transparentes PLZT, céramiques lointaines infrarouges, composites piézoélectriques, composites magnétoélectriques, matériaux conducteurs transparents ITO et ATO, céramiques conductrices d'ions rapides (par exemple, SOFC et matériaux d'électrodes de batterie au lithium), biocéramiques, céramiques supraconductrices haute température et céramiques de réacteur nucléaire.

Domaines de recherche:

Céramiques piézoélectriques sans plomb:

Avec une prise de conscience croissante de l'environnement, les céramiques piézoélectriques sans plomb sont devenues un sujet de recherche majeur. Les chercheurs explorent des matériaux alternatifs tels que les céramiques à base de bismuth et de métaux alcalins pour remplacer le titanate de zirconate de plomb traditionnel (PZT).

Matériaux diélectriques à haute performance:

Des efforts sont déployés pour développer des matériaux diélectriques avec une permittivité plus élevée, des pertes plus faibles et une meilleure stabilité thermique pour répondre aux exigences des dispositifs électroniques modernes à haute fréquence et miniaturisés.

Céramiques diélectriques pour micro-ondes:

La recherche sur les matériaux céramiques pour micro-ondes se concentre sur l'obtention d'une stabilité à haute fréquence, un faible coût et une compatibilité avec les techniques de traitement multicouche, en particulier pour une utilisation dans la communication 5G et la technologie satellite.

Cristaux uniques piézoélectriques avancés:

Les cristaux simples ferroélectriques Relaxor comme le PMN-PT et le PZN-PT sont en cours de développement pour améliorer leurs propriétés piézoélectriques pour des applications en imagerie médicale et actionneurs de précision.

Céramiques composites multifonctionnelles

La performance des céramiques dépend largement de la qualité des matières premières en poudre. Les céramiques fonctionnelles avancées ont généralement les exigences suivantes en matière de poudres brutes:

Contenu des principaux composants à l'état de composé de haute pureté.

Pour les poudres d'oxydes composites, une phase cristalline spécifique est requise, ou la teneur de cette phase doit atteindre un seuil minimum.

Exigences spécifiques pour la taille des particules de poudre et l'uniformité.

Les ratios stœchiométriques des oxydes élémentaires dans les poudres d'oxydes composites.

Particules de poudre avec une morphologie uniforme et bien définie.

(2) Dielectriques de stockage d'énergie céramique haute performance

Les condensateurs de stockage d'énergie offrent des avantages tels qu'une densité énergétique élevée, des taux de charge et de décharge rapides, une résistance au vieillissement cyclique et des performances stables dans des conditions extrêmes telles que des températures élevées et des tensions élevées. Ils ont de larges perspectives d'application dans des domaines tels que les véhicules électriques, l'électronique de puissance, les alimentations électriques à impulsions, les armes à haute densité énergétique, les énergies renouvelables et les systèmes de réseau intelligent.

(3) Céramiques diélectriques et leurs composants

La miniaturisation (y compris l'encapsulation à l'échelle des puces) est l'un des objectifs clés dans le développement actuel des composants. Pour y parvenir, il est nécessaire de:

Améliorer les performances des matériaux céramiques.

Développer des processus et des technologies de fabrication avancés.

Céramiques piézoélectriques et ferroélectriques et leurs composants

Les céramiques piézoélectriques occupent une position importante parmi les matériaux céramiques fonctionnels de l'information. Les actionneurs piézoélectriques offrent des avantages tels qu'un contrôle de déplacement de haute précision, une réponse rapide, une force d'entraînement élevée, une faible consommation d'énergie et une large plage de fréquences de fonctionnement. En conséquence, les céramiques piézoélectriques sont largement utilisées dans les capteurs et actionneurs électromécaniques. Des composants tels que des résonateurs, des filtres, des dispositifs à ondes acoustiques de surface et des actionneurs en céramique piézoélectrique jouent des rôles cruciaux dans la technologie de l'information.

(5) Céramiques piézoélectriques sans plomb respectueuses de l'environnement

Actuellement, les céramiques piézoélectriques sans plomb sont principalement classées en trois systèmes : BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 et K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Parmi eux, BaTiO3 et Na0.5Bi0.5TiO3 présentent des performances piézoélectriques relativement plus faibles et une température de Curie plus basse, principalement utilisées dans les détecteurs ultrasoniques. Le KNN, avec sa température de frittage plus basse, sa température de Curie élevée et son coefficient piézoélectrique élevé, montre un potentiel pour remplacer le PZT en tant que matériau alternatif viable.

Multiferroïques avec coexistence de la ferroélectricité et de la ferromagnétisme, et couplage magnétoélectrique

La tendance à la miniaturisation des composants a accru la recherche sur les matériaux multifonctionnels intégrant des propriétés diélectriques et magnétiques. Les matériaux multiferroïques présentent à la fois des caractéristiques ferroélectriques/piézoélectriques et ferromagnétiques, et plus important encore, ils démontrent des effets magnétoélectriques tels que la magnétisation induite par un champ électrique ou la polarisation induite par un champ magnétique. Ces matériaux offrent un potentiel significatif pour le développement de nouvelles technologies de traitement de l'information et de dispositifs capteurs magnétoélectriques basés sur l'intégration des effets ferroélectriques/piézoélectriques et magnétiques. Récemment, cela est devenu un domaine de recherche de pointe à l'échelle internationale.

(7) Effet électrocalorique géant

L'effet électrocalorique fait référence au changement de température adiabatique ou au changement d'entropie isotherme dans les matériaux polaires causé par des altérations des états de polarisation dues à un champ électrique externe. Les rapports sur l'effet électrocalorique remontent aux années 1930, mais en raison de la faible intensité du champ électrique de fonctionnement des matériaux céramiques, les changements de température adiabatiques observés étaient généralement inférieurs à 1°C. Ces dernières années, ce domaine de recherche a connu des avancées rapides.

Émergence de la technologie d'intégration passive

L'essor de la technologie d'intégration passive, qui intègre divers composants électroniques passifs (condensateurs, inductances, résistances, capteurs, antennes, etc.) dans un seul module via des céramiques co-cuites à basse température (LTCC), a ouvert de nouveaux domaines d'application pour les céramiques fonctionnelles. En même temps, il a soulevé de nombreux défis scientifiques en matière de matériaux et de fabrication.

Développement de nouveaux matériaux céramiques fonctionnels avec à la fois des températures de frittage basses et des performances élevées.

Matériaux LTCC sans rétrécissement.

Matériaux LTCC RF/microwave.

Techniques de formation et d'interconnexion des électrodes internes dans les dispositifs céramiques en 3D et à structure complexe.

Méthodes de coulée de ruban à faible coût pour des membranes céramiques ultra-minces à haute densité.

Contrôler les comportements de densification de la co-combustion et la compatibilité des interfaces dans les matériaux hétérogènes.

Modélisation, simulation, principes de conception et optimisation des performances dans les systèmes céramiques intégrés, y compris l'analyse de la distribution des champs.