Przegląd zaawansowanych ceramiki funkcjonalnej

Zaawansowane ceramiki funkcjonalne to materiały, które wykazują różne właściwości, takie jak elektryczne, magnetyczne, optyczne, akustyczne, cieplne i mechaniczne, oraz ich efekty sprzężenia krzyżowego. Obejmują one materiały piezoelektryczne, magneto-elektryczne, termoelektryczne i fotoelektryczne zdolne do konwersji energii.

Typy:

Elektroniczne ceramiki

Keramika magnetyczna

Ceramika wrażliwa

Keramika optyczna

Bioceramika

Szybkie przewodniki jonowe

Wysokotemperaturowe ceramiki nadprzewodzące

Obecnie największy segment przemysłu ceramiki funkcjonalnej skupia się na ceramice informacyjnej lub elektronicznej używanej w zaawansowanych komponentach. Te obejmują głównie:

Keramika dielektryczna (ceramika izolacyjna elektryczna i ceramika kondensatorowa)

ceramika ferroelektryczna

ceramika piezoelektryczna

Keramika mikrofalowa

Półprzewodnikowe ceramiki

Keramika magnetyczna

Aplikacje:

Duża kategoria urządzeń pasywnych opartych na zaawansowanych ceramikach funkcjonalnych jest szeroko stosowana w dziedzinach wysokich technologii, takich jak elektroniczne informacje, automatyczna kontrola, lotnictwo, ultradźwięki morskie, energia i środowisko, a także przemysł obronny i wojskowy.

Znaczenie:

Zaawansowane ceramiki funkcjonalne stały się kluczowym materiałem dla następnej generacji podzespołów elektronicznych, pełniąc rolę źródła i lidera w głównych innowacjach w technologii informacyjnej. Są one aktywnym polem badawczym dla innowacji technologicznych i rozwoju high-tech, a ich znaczenie jest drugorzędne jedynie w stosunku do układów scalonych. Ten sektor reprezentuje jedną z najbardziej konkurencyjnych i dynamicznie rozwijających się branż podstawowych i strategicznych na świecie.

Te materiały są również ważnym wskaźnikiem ogólnej siły narodowej i konkurencyjności międzynarodowej państwa.

Trendy rozwoju zaawansowanych ceramiki funkcjonalnej:

Technologia cienkich warstw

Materiały o niskiej wymiarowości

Materiały wielofazowe

Wielofunkcyjność

Teksturowanie

Struktury jednokrystaliczne

Duże rozmiary, wysoka jednorodność, wysoka integralność.

Niskokosztowa produkcja

Niska temperatura syntezy

Koordynacja środowiskowa

Trendy rozwoju nowych komponentów elektronicznych:

Wysokoczęstotliwościowe aplikacje

Składniki oparte na chipach

Miniaturyzacja

Cienkie formy.

Niskie zużycie energii

Szybkie tempo odpowiedzi

Wysoka rozdzielczość i precyzja

Wysoka moc

Wielofunkcyjność

Materiały kompozytowe

Modularyzacja

Inteligentne i zielone technologie

Odkrycie barowego tytanianu stanowiło ważny kamień milowy w dziedzinie ceramiki funkcjonalnej.

Przed latami 40. XX wieku wszystkie dielektryki, w tym dielektryki ceramiczne, miały stałą dielektryczną nie większą niż 80.

Odkrycie materiałów ceramicznych o wysokiej stałej dielektrycznej na bazie tytanianu baru zwiększyło stałą dielektryczną ceramiki o niemal trzy rzędy wielkości.

Te materiały zostały szybko zastosowane do produkcji kondensatorów o dużej pojemności dla wszystkich pasm częstotliwości, w tym częstotliwości mikrofalowej.

Do drugiej połowy XX wieku materiały dielektryczne ceramiczne oparte na tytanie baru przeszły gwałtowny rozwój, tworząc skalowaną branżę produkującą różne kondensatory ceramiczne do różnych zastosowań.

Późne lata 40. XX wieku przyniosły rozwój tytanianu baru, a następnie ceramiki z ołowiu cyrkonianu tytanianu w latach 50.

Te materiały zostały szybko wykorzystane do konwersji energii oraz w różnych transduktorach hydroakustycznych, ultradźwiękowych i elektroakustycznych.

Wprowadzenie ceramiki piezoelektrycznej umocniło pozycję ceramiki funkcjonalnej w dziedzinie nowych materiałów nieorganicznych.

W latach 70. udany rozwój ceramiki z dodatnim współczynnikiem temperatury (PTC) i ujemnym współczynnikiem temperatury (NTC) oznaczał nową erę.

Materiały ceramiczne nie były już ograniczone do tradycyjnych materiałów izolacyjnych, ale stały się aktywnymi składnikami w zastosowaniach elektronicznych.

Postęp w teorii ferroelektryków i ich zastosowania - takie jak pamięć ferroelektryczna, czujniki piroelektryczne podczerwieni i efekty fotoelektryczne - zapoczątkowały nową fazę innowacji.

Ceramika ferroelektryczna pojawiła się jako odrębna klasa ceramiki funkcjonalnej.

Począwszy od lat 80. XX wieku, badania nad przemianą fazową i nadprzewodnictwem poszerzyły zakres ceramiki funkcjonalnej.

Zrobiono również znaczące postępy w rozwoju ceramiki o wyjątkowej twardości, ultrawysokiej wytrzymałości, wysokiej odporności termicznej i dużej przezroczystości światła oraz pewnych rodzajów promieniowania.

Klasyfikacja i zastosowania ceramiki funkcjonalnej

Kondensatory ceramiczne są najczęściej stosowanym typem kondensatorów w technologii elektronicznej. Ich podstawowe składniki to rutyl, tytanian baru, tytanian strontu baru, tytanian ołowiu, stannan i cyrkonian.

Ich struktury obejmują ceramikę wysokonapięciową typu dyskowego, kondensatory warstw granicznych ziaren oraz kondensatory ceramiczne wielowarstwowe (MLCC).

MLCC (Multilayer Ceramic Capacitors) są kluczowym elementem elektronicznym szeroko stosowanym w różnych obwodach montowanych na powierzchni w produktach informacyjnych. Główne kierunki rozwoju MLCC obejmują wysoką pojemność, cienkie warstwy, niskie koszty i wysoką niezawodność.

Materiały i zastosowania kluczowe:

Materiały dielektryczne ceramiczne: Są one kluczowe dla określenia wydajności MLCC. Ceramika ferroelektryczna z tytanianu baru jest materiałem dominującym.

Ołów-cyrkonian tytanu (PZT): Głównie stosowany w przetwornikach ultradźwiękowych, rezonatorach piezoelektrycznych, filtrach, mikroprzesuwaczach i aktuatorach piezoelektrycznych.

Bezołowiowe ceramiki piezoelektryczne: Ostatnio bezołowiowe ceramiki piezoelektryczne zyskały uwagę jako materiały przyjazne dla środowiska. Są one głównie oparte na tytanatach, niobatach i cynkatach, i uważane są za materiały dielektryczne o wysokiej częstotliwości, niskiej stratności i stabilnej temperaturze.

Aplikacje w komunikacji mikrofalowej:

Wykorzystywane w rezonatorach mikrofalowych, filtrach, oscylatorach, przesuwnikach fazowych, kondensatorach, antenach i podłożach, odgrywają kluczową rolę w komunikacji mobilnej, satelitarnej, GPS, Bluetooth, WLAN i innych nowoczesnych technologiach komunikacji mikrofalowej.

W porównaniu do rezonatorów metalowych, rezonatory dielektryczne mikrofalowe oferują mniejszy rozmiar, lżejszą wagę, lepszą stabilność temperatury i niższe koszty, co czyni je niezbędnymi dla miniaturowych i zintegrowanych urządzeń komunikacyjnych.

Materiały do ceramiki funkcjonalnej:

Wysokonapięciowe ceramiki, komponenty ceramiczne, podłoża i materiały opakowaniowe wielowarstwowe ceramiczne są niezbędne w elektronice, mikroelektronice i optoelektronice. Obejmują one ceramikę talkową, ceramikę mulitową, ceramikę korundową, tlenek glinu i azotek glinu.

• Skład: BaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, SiC, ZnO, Bi2O3, SnO2, MgCr2O4, itp.

Aplikacje w czujnikach i urządzeniach magnetycznych:

Ceramika funkcjonalna jest używana w komponentach i czujnikach wrażliwych na temperaturę, ciśnienie, światło, gaz i wilgotność.

Są to materiały bazowe do różnych urządzeń magnetycznych i indukcyjnych, w tym miękkie ferryty, magnesy trwałe i stopy magnetyczne o strukturze nanokrystalicznej. Kluczowe przykłady to ferryty manganowo-cynkowe, ferryty niklowo-cynkowe i magnesy trwałe z rzadkich ziem neodymowo-żelazowo-borowe.

Urządzenia o wysokiej częstotliwości:

Powierzchniowe urządzenia fal akustycznych (SAW) dominują w aplikacjach o wysokich częstotliwościach. Materiały obejmują kryształy kwarcu, niobian litu, tantalit litu, tetraboran litu oraz nowe jednokrystaliczne materiały piezoelektryczne, takie jak La3Ga5SiO14 (LGS).

Relaksorowe jednokryształowe kryształy piezoelektryczne, takie jak PMN-PT i PZN-PT, dokonały znaczącego postępu w obrazowaniu ultradźwiękowym w medycynie.

Inne zaawansowane funkcjonalne ceramiki:

Cienkowarstwowe ceramiki funkcjonalne, ceramiki elektrooptyczne PLZT transparentne, ceramiki podczerwieni dalekiej, kompozyty piezoelektryczne, kompozyty magnetoelktryczne, materiały przewodzące transparentne ITO i ATO, ceramiki przewodników jonowych szybkich (np. SOFC i materiały elektrodowe do baterii litowo-jonowych), bioceramiki, ceramiki nadprzewodzące wysokotemperaturowe i ceramiki reaktorów jądrowych.

Obszary badawcze:

Keramika piezoelektryczna bez ołowiu:

Z rosnącą świadomością ekologiczną, bezolowiowe ceramiki piezoelektryczne stały się głównym obszarem badań. Badacze eksplorują alternatywne materiały, takie jak ceramiki oparte na bizmucie i alkalicznych metaliach, aby zastąpić tradycyjne cyrkonianotytanianu ołowiu (PZT).

Wysoko wydajne materiały dielektryczne:

Podejmowane są działania mające na celu opracowanie materiałów dielektrycznych o wyższej przenikalności, niższych stratach i lepszej stabilności temperaturowej, aby sprostać wymaganiom nowoczesnych urządzeń elektronicznych o wysokich częstotliwościach i zminiaturyzowanych.

Mikrofalowe ceramiki dielektryczne:

Badania nad materiałami ceramicznymi do mikrofal skupiają się na osiągnięciu stabilności w wysokich częstotliwościach, niskich kosztach i kompatybilności z technikami przetwarzania wielowarstwowego, zwłaszcza do zastosowania w komunikacji 5G i technologii satelitarnej.

Zaawansowane pojedyncze kryształy piezoelektryczne:

Kryształy jednoogniskowe ferroelektryczne, takie jak PMN-PT i PZN-PT, są dalej rozwijane w celu poprawy ich właściwości piezoelektrycznych do zastosowań w obrazowaniu medycznym i precyzyjnych aktuatorach.

Wielofunkcyjne kompozytowe ceramiki

Wykonanie ceramiki w dużej mierze zależy od jakości surowych materiałów proszkowych. Zaawansowane ceramiki funkcjonalne zazwyczaj mają następujące wymagania dotyczące surowych proszków:

Wysokoczysta zawartość związków w stanie stałym głównych składników.

Dla proszków tlenków złożonych wymagana jest określona faza krystaliczna lub zawartość tej fazy musi spełniać minimalny poziom.

Konkretne wymagania dotyczące wielkości i jednorodności cząstek proszku.

Stechiometryczne proporcje tlenków pierwiastkowych w proszkach tlenków kompozytowych.

Cząstki proszku o jednolitej i dobrze zdefiniowanej morfologii.

(2) Wysoko wydajne ceramiczne dielektryki magazynowania energii

Kondensatory magazynowania energii oferują takie zalety jak wysoka gęstość energii, szybkie tempo ładowania i rozładowania, odporność na cykliczne starzenie się oraz stabilne działanie w ekstremalnych warunkach, takich jak wysoka temperatura i wysokie napięcie. Mają szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinach takich jak pojazdy elektryczne, elektronika mocy, zasilacze impulsowe, broń o wysokiej gęstości energii, energia odnawialna oraz systemy inteligentnej sieci energetycznej.

(3) Ceramika dielektryczna i jej składniki

Miniaturyzacja (w tym pakowanie w skali układu scalonego) jest jednym z kluczowych celów w obecnym rozwoju komponentów. Aby to osiągnąć, konieczne jest:

Poprawa wydajności materiałów ceramicznych.

Rozwój zaawansowanych procesów i technologii produkcyjnych.

(4) Ceramika piezoelektryczna i ferroelektryczna oraz ich komponenty

Ceramika piezoelektryczna zajmuje prominentną pozycję w materiałach ceramicznych funkcjonalnych informacji. Aktuatory piezoelektryczne oferują takie zalety jak wysoka precyzja kontroli przemieszczenia, szybka reakcja, wysoka siła napędowa, niskie zużycie energii i szeroki zakres częstotliwości pracy. W rezultacie ceramika piezoelektryczna jest szeroko stosowana w czujnikach elektromechanicznych i aktuatorach. Składniki takie jak rezonatory, filtry, urządzenia powierzchniowe fal akustycznych oraz aktuatory ceramiczne piezoelektryczne odgrywają kluczowe role w technologii informacyjnej.

(5) Ekologiczne ceramiki piezoelektryczne bez ołowiu

Obecnie, bezolowiowe ceramiki piezoelektryczne są głównie klasyfikowane na trzy systemy: BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 i K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Spośród nich BaTiO3 i Na0.5Bi0.5TiO3 wykazują stosunkowo niższą wydajność piezoelektryczną i temperaturę Curie, głównie używane są w detektorach ultradźwiękowych. KNN, ze swoją niższą temperaturą spiekania, wysoką temperaturą Curie i wysokim współczynnikiem piezoelektrycznym, wykazuje potencjał do zastąpienia PZT jako materiału alternatywnego.

Multiferroiki z współistniejącą ferroelektrycznością i ferromagnetyzmem oraz sprzężeniem magneto-elektrycznym

Tendencja do miniaturyzacji komponentów zwiększyła badania nad materiałami wielofunkcyjnymi, które integrują właściwości dielektryczne i magnetyczne. Materiały multiferroiczne wykazują zarówno charakterystyki ferroelektryczne/piezoelktryczne, jak i ferromagnetyczne, a co ważniejsze, demonstrują efekty magneto-elektryczne - takie jak namagnesowanie indukowane polem elektrycznym lub polaryzacja indukowana polem magnetycznym. Te materiały oferują znaczący potencjał do rozwoju nowych technologii przetwarzania informacji i urządzeń czujnikowych magneto-elektrycznych opartych na integracji efektów ferroelektrycznych/piezoelktrycznych i magnetycznych. Ostatnio stało się to cutting-edge polem badań na arenie międzynarodowej.

Siedem Gigantyczny Efekt Elektrokaloryczny

Efekt elektrokaloryczny odnosi się do adiabatycznej zmiany temperatury lub izotermicznej zmiany entropii w materiałach polarnych spowodowanej zmianami stanów polaryzacji z powodu zewnętrznego pola elektrycznego. Raporty na temat efektu elektrokalorycznego sięgają lat 30. XX wieku, ale ze względu na niską siłę pola elektrycznego materiałów ceramicznych, obserwowane zmiany temperatury adiabatycznej były zazwyczaj mniejsze niż 1°C. W ostatnich latach ten obszar badań doznał szybkich postępów.

Połączenie technologii integracji pasywnej

Rozwój technologii integracji pasywnej, która integruje różne pasywne elementy elektroniczne (kondensatory, cewki, rezystory, sensory, anteny, itp.) w pojedynczy moduł za pomocą ceramiki o niskiej temperaturze spiekania (LTCC), otworzył nowe obszary zastosowań dla ceramiki funkcjonalnej. Jednocześnie stawia on liczne wyzwania naukowe w zakresie materiałów i produkcji.

Rozwój nowych materiałów ceramicznych o niskich temperaturach spiekania i wysokiej wydajności.

Materiały LTCC o zerowym skurczeniu.

Materiały LTCC do zastosowań w dziedzinie RF/mikrofal.

Techniki formowania i łączenia wewnętrznych elektrod w trójwymiarowych i złożonych urządzeniach ceramicznych.

Niskokosztowe metody taśmowe do wytwarzania wysokogęstościowych ultracienkich membran ceramicznych.

Kontrolowanie zachowań zagęszczania współspalania i kompatybilności interfejsu w materiałach heterogenicznych.

Modelowanie, symulacja, zasady projektowania i optymalizacja wydajności w zintegrowanych systemach ceramicznych, w tym analiza rozkładu pola.