先進的な機能性セラミックスの概要
高度な機能性セラミックスは、電気的、磁気的、光学的、音響的、熱的、機械的な特性など、さまざまな特性を示す材料であり、それらの相互結合効果を持っています。これには、エネルギー変換が可能な圧電、磁気電気、熱電、光電材料が含まれます。
タイプ:
電子セラミックス
磁気セラミック
感性セラミック
光学セラミックス
バイオセラミックス
高速イオン伝導体
高温超伝導セラミックス
現在、機能性セラミックス産業の最大セグメントは、高度な部品に使用される情報機能性セラミックスまたは電子セラミックスに焦点を当てています。これらは主に以下を含みます。
誘電セラミックス(電気絶縁セラミックスおよびコンデンサーセラミックス)
• 強誘電体セラミックス
圧電セラミックス
マイクロ波セラミック
半導体感応性セラミックス
磁気セラミック
アプリケーション:
先進的な機能性セラミックスに基づく多くの受動デバイスが、電子情報、自動制御、航空宇宙、海洋超音波、エネルギー環境、防衛軍事産業などのハイテク分野で広く応用されています。
重要性:
次世代の電子部品において、先鋭的な機能性セラミックスは主要な材料となり、情報技術の主要な革新の源泉およびリーダーとして機能しています。これらは技術革新やハイテク開発のための活発な研究分野であり、集積回路に次ぐ重要性を持っています。このセクターは、世界中で最も競争力があり急速に成長している基盤産業および戦略産業の一つを表しています。
これらの資料は、国の総合国力や国際競争力の重要な指標でもあります。
先進機能セラミックスの開発トレンド:
薄膜技術
低次元材料
マルチフェーズ材料
多機能性
テクスチャリング
単結晶構造
大きなサイズ、高い均一性、高い完全性
低コスト生産
低温合成
環境調整
新しい電子部品の開発トレンド:
高頻度のアプリケーション
チップベースのコンポーネント
ミニチュア化
薄い形状
低消費電力
高速な応答率
高解像度と精度
ハイパワー
多機能性
複合材料
モジュール化
スマートな環境技術
機能性セラミックスの開発歴史
最初の突破口:高誘電率材料の発明
バリウムチタン酸塩の発明は、機能性セラミックスの重要な節目となりました。
1940年代以前、セラミック誘電体を含むすべての誘電体の誘電率は80未満でした。
バリウムチタン酸塩に基づく高誘電セラミック材料の発見により、セラミックスの誘電率がほぼ3桁増加しました。
これらの材料はすぐに応用され、マイクロ波周波数を含むすべての周波数帯の高容量コンデンサを製造するために使用されました。
20世紀後半になると、バリウムチタン酸塩系セラミック誘電体材料は急速に発展し、さまざまなセラミックコンデンサを生産する規模の産業を形成しました。
第二の突破:圧電セラミック材料の出現
1940年代後半にはバリウムチタン酸塩の開発が進み、1950年代には鉛ジルコネイトチタン酸塩セラミックスが続いた。
これらの材料はすぐにエネルギー変換やさまざまな水中音響、超音波、および電気音響変換器に使用されました。
圧電セラミックスの導入により、機能性セラミックスが無機新材料の分野での地位を固めました。
第三の突破:セラミックスの半導体特性
1970年代に、正の温度係数(PTC)と負の温度係数(NTC)を持つセラミックの成功した開発は新しい時代の幕開けを告げました。
セラミック材料は、従来の絶縁材料に限定されることなく、電子アプリケーションにおいてアクティブなコンポーネントとなりました。
第四の突破口:強誘電体理論と応用
フェロ電気理論とその応用の進歩—フェロ電気メモリ、赤外線ピロ電気センサー、および光電効果など—は、新しいイノベーションの時代を切り開いた。
強誘電体セラミックスは、独自の機能性セラミックスの一群として登場しました。
第五の突破:誘導相変態と超伝導
1980年代に始まり、相変態と超伝導に関する研究が機能性セラミックスの範囲を広げました。
優れた硬度、超高強度、高耐熱性、光透過性および特定の種類の放射線に対する高透明度を持つセラミックスの開発でも重要な進展がありました。
機能性セラミックスの分類と応用
セラミックコンデンサは、電子技術で最も広く使用されているコンデンサの一種です。その主要な成分には、ルチル、バリウムチタン酸塩、バリウムストロンチウムチタン酸塩、鉛チタン酸塩、スタン酸塩、ジルコン酸塩が含まれています。
彼らの構造には、円盤型の高電圧セラミック、粒界層コンデンサ、および多層セラミックコンデンサ(MLCC)が含まれています。
MLCC(Multilayer Ceramic Capacitors)は、電子情報製品のさまざまな表面実装回路で広く使用されている重要な電子部品です。MLCCの主な開発方向には、高容量、薄層、低コスト、高信頼性が含まれています。
主要材料と応用:
セラミック誘電体材料:これらはMLCCの性能を決定する上で重要です。バリウムチタン酸化物強誘電体セラミックスが主流の材料です。
鉛ジルコネートチタン(PZT):超音波トランスデューサー、圧電共振子、フィルター、マイクロディスプレーサ、および圧電アクチュエータで主に使用されます。
リードフリーピエゾ電気セラミックス:最近、環境にやさしい材料として注目されているリードフリーピエゾ電気セラミックス。これらは主にチタン酸塩、ニオバ酸塩、亜鉛酸塩に基づいており、高周波、低損失、温度安定性のある誘電体材料と考えられています。
マイクロ波通信の応用:
マイクロ波共振器、フィルタ、発振器、位相シフタ、コンデンサ、アンテナ、および基板で使用され、モバイル通信、衛星通信、GPS、Bluetooth、WLAN、およびその他の現代のマイクロ波通信技術において重要な役割を果たしています。
金属空洞共振器と比較して、マイクロ波誘電体共振器は、より小さなサイズ、軽量、より良い温度安定性、低コストを提供し、これらは小型化および統合通信デバイスにとって不可欠です。
機能性セラミックスの材料:
高電圧セラミックス、セラミック部品、基板、および多層セラミックパッケージ材料は、電子機器、マイクロエレクトロニクス、および光エレクトロニクスにおいて不可欠です。これには、タルクセラミックス、ミュライトセラミックス、コランダムセラミックス、アルミナ、および窒化アルミニウムが含まれます。
• 組成:BaTiO3、SrTiO3、MgTiO3、SiC、ZnO、Bi2O3、SnO2、MgCr2O4など。
センサーおよび磁気デバイスの応用:
機能性セラミックスは、温度感知、圧力感知、光感知、ガス感知、湿度感知の部品やセンサーに使用されています。
様々な磁気および誘導デバイスの基本材料であり、軟フェライト、永久磁石、およびナノ結晶軟磁性合金を含みます。主な例には、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、およびネオジム鉄ホウ素希土類永久磁石があります。
高周波デバイス:
表面音波(SAW)デバイスは高周波アプリケーションを支配しています。材料には石英結晶、リチウムニオブ酸塩、リチウムタンタル酸塩、リチウムテトラホウ酸塩、および新しい圧電単結晶であるLa3Ga5SiO14(LGS)が含まれています。
Relaxor ferroelectric piezoelectric single crystals such as PMN-PT and PZN-PT have made significant advances in medical ultrasound imaging.
弛緩強誘電性圧電単結晶(PMN-PTおよびPZN-PTなど)は、医療超音波画像の分野で重要な進展を遂げています。
その他の高度な機能性セラミックス:
薄膜機能性セラミックス、PLZT透明電気光学セラミックス、遠赤外線セラミックス、圧電複合材料、磁気電気複合材料、ITOおよびATO透明導電材料、高速イオン伝導体セラミックス(例:SOFCおよびリチウムイオン電池電極材料)、バイオセラミックス、高温超伝導セラミックス、および原子炉セラミックス。
研究のホットスポットと問題
研究のホットスポット:
リードフリーピエゾ電気セラミックス:
環境意識の高まりとともに、無鉛圧電セラミックスは主要な研究焦点となっています。研究者は、従来の鉛ジルコネートチタン酸塩(PZT)を代替するために、ビスマス系やアルカリ金属系のセラミックスなどの代替材料を探索しています。
高性能誘雪体材料:
現代の高周波および小型化された電子デバイスの要求を満たすために、誘電率が高く、損失が少なく、温度安定性が高い誘電材料の開発に努力が払われています。
マイクロ波誘電セラミックス:
マイクロ波セラミック材料に関する研究は、高周波安定性、低コスト、および5G通信や衛星技術での使用を特に考慮して、多層処理技術との互換性を実現することに焦点を当てています。
4. 高度な圧電単結晶:
リラクソール強誘電体単結晶、例えばPMN-PTやPZN-PTなどは、医療画像や精密アクチュエーターの応用向けに、その圧電特性を向上させるためにさらに開発されています。
多機能複合セラミックス
セラミックスの性能は、主に原料粉末材料の品質に依存しています。先進的な機能性セラミックスは、一般的に次のような要件を原料粉末に対して持っています。
主成分の高純度化合物状態。
複合酸化物粉末の場合、特定の結晶相が必要であるか、この相の含有量が最低限の基準を満たしている必要があります。
粉末の粒子サイズと均一性に関する具体的な要件。
複合酸化物粉末中の元素酸化物の化学量論比率。
均一で明確な形態を持つ粉体粒子。
高性能セラミックエネルギー貯蔵誘電体
エネルギー貯蔵コンデンサは、高エネルギー密度、高速充放電率、サイクルエイジングへの耐性、高温や高電圧などの極端な条件下での安定した性能などの利点を提供します。電気自動車、パワーエレクトロニクス、パルス電源、高エネルギー密度兵器、再生可能エネルギー、スマートグリッドシステムなどの分野で広範な応用展望があります。
誘電体セラミックスとその構成要素
ミニチュア化(チップスケールパッケージングを含む)は、現在の部品開発における主要な目標の1つです。これを達成するには、
セラミック材料の性能向上。
b.高度な製造プロセスと技術の開発。
圧電および強誘電セラミックスおよびそれらの部品
圧電セラミックスは、情報機能性セラミック材料において重要な位置を占めています。圧電アクチュエータは、高い変位制御精度、迅速な応答、高い駆動力、低消費電力、広い動作周波数範囲などの利点を提供します。その結果、圧電セラミックスは電機センサーやアクチュエーターに広く使用されています。共振子、フィルター、表面弾性波デバイス、圧電セラミックアクチュエータなどの部品は、情報技術において重要な役割を果たしています。
環境にやさしい鉛フリーピエゾ電気セラミックス
現在、無鉛圧電セラミックスは主に3つのシステムに分類されています:BaTiO3、Na0.5Bi0.5TiO3、およびK0.5Na0.5NbO3(KNN)。そのうち、BaTiO3とNa0.5Bi0.5TiO3は比較的低い圧電性能とキュリー温度を示し、主に超音波検出器に使用されています。KNNは、低い焼結温度、高いキュリー温度、および高い圧電係数を持つため、PZTの代替材料としての可能性を示しています。
マルチフェロイクスは、共存する強誘電性と強磁性、および磁気電気結合を持つ材料です。
部品のミニチュア化の傾向は、誘電体と磁性の特性を統合した多機能材料の研究を増加させています。マルチフェロイック材料は、強誘電性/圧電性と強磁性の特性を示し、さらに重要なことに、電場によって誘起される磁化や磁場によって誘起される分極などの磁気電気効果を示します。これらの材料は、強誘電性/圧電性と磁気効果を統合した情報処理技術や磁気電気センサーデバイスの開発において、重要な潜在能力を提供します。最近、これは国際的に最先端の研究分野となっています。
巨大電気カロリック効果
電気カロリック効果とは、外部の電場による誘雪状態の変化によって引き起こされる極性材料の断熱温度変化または等温エントロピー変化を指します。電気カロリック効果に関する報告は1930年代にさかのぼりますが、セラミック材料の低い動作電場強度のため、観測される断熱温度変化は通常1°C未満でした。近年、この研究分野は急速に進歩しています。
受動的統合技術の出現
パッシブ統合技術の台頭は、低温共焼セラミックス(LTCC)を介してさまざまなパッシブ電子部品(コンデンサ、インダクタ、抵抗器、センサ、アンテナなど)を単一のモジュールに統合することで、機能性セラミックスの新しい応用領域を開拓しました。同時に、材料と製造に関する多くの科学的な課題を提起しました。
低焼結温度と高性能を兼ね備えた新しい機能性セラミック材料の開発。
ゼロ収縮LTCC材料。
RF / マイクロ波 LTCC 材料。
3Dおよび複雑な構造を持つセラミックデバイス内部電極を形成および相互接続するための技術。
低コストのテープキャスティング方法による高密度超薄セラミック膜。
異種材料における共焼成の緻密化挙動と界面適合性の制御。
統合セラミックシステムにおけるモデリング、シミュレーション、設計原則、および性能最適化、フィールド分布解析を含む。