Visão geral de Cerâmicas Funcionais Avançadas

Os cerâmicos funcionais avançados são materiais que exibem várias propriedades, como características elétricas, magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas e mecânicas, e seus efeitos de acoplamento cruzado. Estes incluem materiais piezoelétricos, magnetoelétricos, termoelétricos e fotoelétricos capazes de conversão de energia.

Tipos:

Cerâmica eletrônica

Cerâmicas magnéticas

Cerâmica sensível

Cerâmica óptica

Biocerâmicas

Condutores de íons rápidos

Cerâmicas supercondutoras de alta temperatura

Atualmente, o maior segmento da indústria de cerâmica funcional concentra-se em cerâmicas funcionais de informação ou cerâmicas eletrônicas usadas em componentes avançados. Estes incluem principalmente:

Cerâmicas dielétricas (cerâmicas de isolamento elétrico e cerâmicas de capacitor)

Cerâmicas ferroelétricas

Cerâmicas piezoelétricas

Cerâmica para micro-ondas

Cerâmicas sensíveis a semicondutores

Cerâmicas magnéticas

Aplicações:

Uma grande categoria de dispositivos passivos baseados em cerâmicas funcionais avançadas é amplamente aplicada em campos de alta tecnologia, como informação eletrônica, controle automático, aeroespacial, ultrassom marinho, energia e meio ambiente, bem como nas indústrias de defesa e militares.

Significado:

Cerâmicas funcionais avançadas tornaram-se um material-chave para a próxima geração de componentes eletrônicos, servindo como fonte e líder em grandes inovações na tecnologia da informação. Elas são um campo de pesquisa ativo para inovação tecnológica e desenvolvimento de alta tecnologia, e sua importância é segunda apenas aos circuitos integrados. Este setor representa uma das indústrias fundamentais e estratégicas mais competitivas e de crescimento rápido em todo o mundo.

Esses materiais também são um indicador importante do poder nacional abrangente de uma nação e da competitividade internacional.

Tendências de Desenvolvimento de Cerâmicas Funcionais Avançadas:

Tecnologia de filmes finos

Materiais de baixa dimensão

Materiais multifásicos

Multifuncionalidade

Texturização

Estruturas de cristal único

Grandes tamanhos, alta uniformidade, alta integridade.

Produção de baixo custo

Síntese de baixa temperatura

Coordenação ambiental

Tendências de Desenvolvimento de Novos Componentes Eletrônicos:

Aplicações de alta frequência

Componentes baseados em chip

Miniaturização

Formas finas

Baixo consumo de energia

Taxas de resposta rápida

Alta resolução e precisão

Alta potência

Multifuncionalidade

Materiais compostos

Modularização

Tecnologias inteligentes e verdes

A invenção do titanato de bário marcou um marco importante nas cerâmicas funcionais.

Antes da década de 1940, todos os dielétricos, incluindo dielétricos cerâmicos, tinham uma constante dielétrica de no máximo 80.

A descoberta de materiais cerâmicos de alta constante dielétrica baseados em titanato de bário aumentou a constante dielétrica das cerâmicas em quase três ordens de magnitude.

Estes materiais foram rapidamente aplicados para produzir capacitores de alta capacidade para todas as faixas de frequência, incluindo frequências de micro-ondas.

Na segunda metade do século XX, os materiais dielétricos cerâmicos à base de titanato de bário passaram por um rápido desenvolvimento, formando uma indústria escalonada que produz diversos capacitores cerâmicos para diversas aplicações.

Os anos 1940 viram o desenvolvimento do titanato de bário, seguido pelas cerâmicas de titanato de zirconato de chumbo na década de 1950.

Estes materiais foram logo utilizados para conversão de energia e em vários transdutores hidroacústicos, ultrassônicos e eletroacústicos.

A introdução de cerâmicas piezoelétricas solidificou a posição das cerâmicas funcionais no campo dos novos materiais inorgânicos.

Nos anos 1970, o desenvolvimento bem-sucedido de cerâmicas com coeficiente de temperatura positivo (PTC) e coeficiente de temperatura negativo (NTC) marcou uma nova era.

Materiais cerâmicos deixaram de ser limitados a materiais isolantes tradicionais e se tornaram componentes ativos em aplicações eletrônicas.

Avanços na teoria ferroelétrica e suas aplicações - como memória ferroelétrica, sensores piroelétricos infravermelhos e efeitos fotoelétricos - abriram caminho para uma nova fase de inovação.

Cerâmicas ferroelétricas surgiram como uma classe distinta de cerâmicas funcionais.

Começando nos anos 1980, a pesquisa sobre transformação de fase e supercondutividade ampliou o escopo de cerâmicas funcionais.

Significativos avanços também foram feitos no desenvolvimento de cerâmicas com dureza excepcional, ultra-alta resistência, alta resistência térmica e alta transparência à luz e a certos tipos de radiação.

Classificação e Aplicações de Cerâmicas Funcionais

Os capacitores cerâmicos são o tipo mais amplamente utilizado de capacitores na tecnologia eletrônica. Seus componentes principais incluem rutilo, titanato de bário, titanato de bário estrôncio, titanato de chumbo, estanato e zirconato.

Suas estruturas incluem cerâmicas de alta tensão em forma de disco, capacitores de camada de limite de grão e capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC).

Os MLCCs (Capacitores Cerâmicos Multicamadas) são um componente eletrônico crucial amplamente utilizado em vários circuitos montados em superfície em produtos de informática eletrônica. As principais direções de desenvolvimento para os MLCCs incluem alta capacidade, camadas finas, baixo custo e alta confiabilidade.

Materiais e Aplicações-Chave:

Materiais dielétricos cerâmicos: Estes são críticos na determinação do desempenho dos MLCCs. Cerâmicas ferroelétricas de titanato de bário são o material predominante.

Chumbo Zirconato Titanato (PZT): Predominantemente usado em transdutores ultrassônicos, ressonadores piezoelétricos, filtros, micro-deslocadores e atuadores piezoelétricos.

Cerâmicas Piezoelétricas Livres de Chumbo: Recentemente, as cerâmicas piezoelétricas livres de chumbo têm ganhado atenção como materiais ecologicamente corretos. Estas são principalmente baseadas em titanatos, niobatos e zincatos, e são consideradas materiais dielétricos de alta frequência, baixa perda e estáveis em temperatura.

Aplicações em Comunicações por Micro-ondas:

Usado em ressonadores de micro-ondas, filtros, osciladores, deslocadores de fase, capacitores, antenas e substratos, desempenhando um papel crucial em comunicações móveis, comunicações via satélite, GPS, Bluetooth, WLAN e outras tecnologias modernas de comunicação por micro-ondas.

Comparados com os ressonadores de cavidade metálica, os ressonadores dielétricos de micro-ondas oferecem tamanho menor, peso mais leve, melhor estabilidade de temperatura e custos mais baixos, tornando-os essenciais para dispositivos de comunicação miniaturizados e integrados.

Materiais para Cerâmicas Funcionais:

• Os cerâmicos de alta voltagem, componentes cerâmicos, substratos e materiais de embalagem cerâmica multicamadas são essenciais na eletrônica, microeletrônica e optoeletrônica. Estes incluem cerâmicos de talco, cerâmicos de mulita, cerâmicos de coríndon, alumina e nitreto de alumínio.

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

Aplicações em Sensores e Dispositivos Magnéticos:

Cerâmicas funcionais são usadas em componentes e sensores sensíveis à temperatura, à pressão, à luz, ao gás e à umidade.

São os materiais base para vários dispositivos magnéticos e indutivos, incluindo ferrites macios, ímãs permanentes e ligas magnéticas macias nanocristalinas. Exemplos-chave incluem ferrites de manganês-zinco, ferrites de níquel-zinco e ímãs permanentes de terras raras de neodímio-ferro-boro.

Dispositivos de alta frequência:

Dispositivos de onda acústica de superfície (SAW) dominam aplicações de alta frequência. Os materiais incluem cristais de quartzo, niobato de lítio, tantalato de lítio, tetraborato de lítio e novos cristais piezoelétricos como o La3Ga5SiO14 (LGS).

Cristais únicos relaxor ferroelétricos piezoelétricos, como PMN-PT e PZN-PT, fizeram avanços significativos na imagem por ultrassom médico.

Outras Cerâmicas Funcionais Avançadas:

Cerâmicas funcionais de filmes finos, cerâmicas eletro-ópticas transparentes PLZT, cerâmicas de infravermelho distante, compósitos piezoelétricos, compósitos magnetoelétricos, materiais condutores transparentes ITO e ATO, cerâmicas condutoras rápidas de íons (por exemplo, SOFC e materiais de eletrodo de bateria de íon de lítio), biocerâmicas, cerâmicas supercondutoras de alta temperatura e cerâmicas de reator nuclear.

Pontos Quentes de Pesquisa:

Cerâmicas Piezoelétricas sem Chumbo:

Com o aumento da consciência ambiental, os cerâmicos piezoelétricos sem chumbo tornaram-se um foco importante de pesquisa. Os pesquisadores estão explorando materiais alternativos, como cerâmicos à base de bismuto e metais alcalinos, para substituir o tradicional titanato de zircônio de chumbo (PZT).

Materiais Dielétricos de Alto Desempenho:

Estão sendo feitos esforços para desenvolver materiais dielétricos com maior permitividade, menores perdas e melhor estabilidade térmica para atender às demandas dos dispositivos eletrônicos modernos de alta frequência e miniaturizados.

Cerâmicas Dielétricas de Micro-ondas:

A pesquisa sobre materiais cerâmicos de micro-ondas concentra-se em alcançar estabilidade de alta frequência, baixo custo e compatibilidade com técnicas de processamento em múltiplas camadas, especialmente para uso em comunicações 5G e tecnologia de satélite.

Cristais Únicos Piezoelétricos Avançados:

Cristais únicos ferroelétricos Relaxor como PMN-PT e PZN-PT estão sendo desenvolvidos ainda mais para melhorar suas propriedades piezoelétricas para aplicações em imagens médicas e atuadores de precisão.

Cerâmicas Compostas Multifuncionais

O desempenho dos cerâmicos depende em grande parte da qualidade dos materiais em pó brutos. As cerâmicas funcionais avançadas geralmente têm os seguintes requisitos para os pós brutos:

Alto teor de compostos em estado de alta pureza dos principais componentes.

Para pós de óxidos compostos, é necessária uma fase cristalina específica, ou o conteúdo dessa fase deve atender a um limite mínimo.

Requisitos específicos para o tamanho e uniformidade das partículas de pó.

Proporções estequiométricas de óxidos elementares em pós de óxidos compostos.

Partículas de pó com uma morfologia uniforme e bem definida.

(2) Cerâmicas de armazenamento de energia dielétrica de alto desempenho

Capacitores de armazenamento de energia oferecem vantagens como alta densidade de energia, taxas de carga e descarga rápidas, resistência ao envelhecimento cíclico e desempenho estável em condições extremas como alta temperatura e alta voltagem. Eles têm amplas perspectivas de aplicação em campos como veículos elétricos, eletrônica de potência, fontes de energia de pulso, armas de alta densidade de energia, energia renovável e sistemas de rede inteligente.

Cerâmicas dielétricas e seus componentes

Miniaturização (incluindo embalagem em escala de chip) é um dos principais objetivos no desenvolvimento atual de componentes. Para alcançar isso, é necessário:

Melhorando o desempenho de materiais cerâmicos.

Desenvolver processos e tecnologias avançadas de fabricação.

Cerâmicas Piezoelétricas e Ferroelétricas e Seus Componentes

Cerâmicas piezoelétricas ocupam uma posição proeminente em materiais cerâmicos funcionais de informação. Atuadores piezoelétricos oferecem vantagens como alta precisão no controle de deslocamento, resposta rápida, alta força de acionamento, baixo consumo de energia e uma ampla faixa de frequência de operação. Como resultado, cerâmicas piezoelétricas são amplamente utilizadas em sensores e atuadores eletromecânicos. Componentes como ressonadores, filtros, dispositivos de ondas acústicas de superfície e atuadores cerâmicos piezoelétricos desempenham papéis cruciais na tecnologia da informação.

(5) Cerâmicas Piezoelétricas Livres de Chumbo Amigáveis ao Meio Ambiente

Atualmente, os cerâmicos piezoelétricos sem chumbo são principalmente classificados em três sistemas: BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 e K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Entre eles, BaTiO3 e Na0.5Bi0.5TiO3 apresentam desempenho piezoelétrico e temperatura de Curie relativamente baixos, sendo principalmente utilizados em detectores ultrassônicos. O KNN, com sua temperatura de sinterização mais baixa, alta temperatura de Curie e alto coeficiente piezoelétrico, mostra potencial para substituir o PZT como um material alternativo viável.

Multiferroicos com Coexistência de Ferroeletricidade e Ferromagnetismo, e Acoplamento Magnetoeletrico

A tendência para a miniaturização de componentes tem aumentado a pesquisa em materiais multifuncionais que integram propriedades dielétricas e magnéticas. Materiais multiferroicos exibem características ferroelétricas/piezoeletricas e ferromagnéticas, e, mais importante, demonstram efeitos magnetoeletricos, como magnetização induzida por um campo elétrico ou polarização induzida por um campo magnético. Esses materiais oferecem um potencial significativo para o desenvolvimento de novas tecnologias de processamento de informação e dispositivos sensores magnetoeletricos baseados na integração de efeitos ferroelétricos/piezoeletricos e magnéticos. Recentemente, isso se tornou um campo de pesquisa de ponta internacionalmente.

(7) Efeito Eletrocalórico Gigante

O efeito eletrocalórico refere-se à mudança de temperatura adiabática ou mudança de entropia isotérmica em materiais polares causada por alterações nos estados de polarização devido a um campo elétrico externo. Relatórios sobre o efeito eletrocalórico remontam aos anos 1930, mas devido à baixa intensidade do campo elétrico de operação de materiais cerâmicos, as mudanças de temperatura adiabáticas observadas eram tipicamente inferiores a 1°C. Nos últimos anos, esta área de pesquisa tem visto avanços rápidos.

A Emergência da Tecnologia de Integração Passiva

O surgimento da tecnologia de integração passiva, que integra vários componentes eletrônicos passivos (capacitores, indutores, resistores, sensores, antenas, etc.) em um único módulo por meio de cerâmicas co-sinterizadas de baixa temperatura (LTCC), abriu novas áreas de aplicação para cerâmicas funcionais. Ao mesmo tempo, isso levantou inúmeros desafios científicos em materiais e fabricação.

Desenvolvimento de novos materiais cerâmicos funcionais com baixas temperaturas de sinterização e alto desempenho.

Materiais LTCC de zero encolhimento.

Materiais LTCC de RF/micro-ondas.

Técnicas para formação e interconexão de eletrodos internos em dispositivos cerâmicos 3D e de estrutura complexa.

Métodos de tapeçaria de baixo custo para membranas cerâmicas ultrafinas de alta densidade.

Controlando comportamentos de densificação de co-combustão e compatibilidade de interface em materiais heterogêneos.

Modelagem, simulação, princípios de design e otimização de desempenho em sistemas cerâmicos integrados, incluindo análise de distribuição de campo.