Обзор передовых функциональных керамических материалов

Концепция: Продвинутые функциональные керамики - это материалы, обладающие различными свойствами, такими как электрические, магнитные, оптические, акустические, тепловые и механические характеристики, а также их перекрестные эффекты. Сюда входят пьезоэлектрические, магнитоэлектрические, термоэлектрические и фотоэлектрические материалы, способные к преобразованию энергии.

Типы:

Электронные керамика

Магнитные керамики

Чувствительная керамика

Оптическая керамика

Биокерамика

Быстрые ионные проводники

Высокотемпературные сверхпроводящие керамика

В настоящее время крупнейший сегмент функциональной керамики сосредоточен на информационной функциональной керамике или электронной керамике, используемой в передовых компонентах. Это в основном включает:

Диэлектрическая керамика (электроизоляционная керамика и керамика конденсаторов)

Ферроэлектрическая керамика

Пьезокерамические материалы

Микроволновая керамика

Полупроводниковые чувствительные керамика

Магнитные керамика

Приложения:

Большое количество пассивных устройств на основе передовых функциональных керамических материалов широко применяется в высокотехнологичных областях, таких как электронная информация, автоматическое управление, аэрокосмическая промышленность, морская ультразвуковая техника, энергетика и окружающая среда, а также в области обороны и военной промышленности.

Значение:

Продвинутые функциональные керамика стали ключевым материалом для следующего поколения электронных компонентов, выступая в качестве источника и лидера в крупных инновациях в области информационных технологий. Они являются активным объектом исследований в области технологических инноваций и развития высоких технологий, и их важность вторая только после интегральных схем. Этот сектор представляет собой одну из наиболее конкурентоспособных и быстрорастущих фундаментальных и стратегических отраслей по всему миру.

Эти материалы также являются важным показателем комплексной национальной мощи и международной конкурентоспособности страны.

Тенденции развития передовых функциональных керамических материалов:

Технология тонких пленок

Низкоразмерные материалы

Многофазные материалы

Многофункциональность

Текстурирование

Однокристальные структуры

Большие размеры, высокая однородность, высокая целостность

Недорогое производство

Низкотемпературный синтез

Экологическое согласование

Тенденции развития новых электронных компонентов:

Высокочастотные приложения

Компоненты на основе микросхем

Миниатюризация

Тонкие форм-факторы

Низкое энергопотребление

Быстрые показатели ответов

Высокое разрешение и точность

Высокая мощность

Многофункциональность

Композитные материалы

Модульность

Умные и зеленые технологии

Изобретение бария титаната стало важным этапом в области функциональной керамики.

До 1940-х годов все диэлектрики, включая керамические диэлектрики, имели диэлектрическую проницаемость не более 80.

Открытие высокодиэлектрических керамических материалов на основе бария титаната увеличило диэлектрическую постоянную керамики почти на три порядка величины.

Эти материалы были быстро применены для производства конденсаторов большой емкости для всех диапазонов частот, включая микроволновые частоты.

К концу второй половины XX века керамические диэлектрические материалы на основе бариевого титаната претерпели быстрое развитие, сформировав масштабную отрасль, производящую различные керамические конденсаторы для различных применений.

Поздние 1940-е годы стали периодом развития бария титаната, за которым последовали керамика из цирконата титаната свинца в 1950-х годах.

Эти материалы вскоре были использованы для преобразования энергии и в различных гидроакустических, ультразвуковых и электроакустических преобразователях.

Введение пьезоэлектрических керамических материалов закрепило позицию функциональных керамических материалов в области неорганических новых материалов.

В 1970-х годах успешное развитие керамики с положительным температурным коэффициентом (PTC) и отрицательным температурным коэффициентом (NTC) отметило новую эру.

Керамические материалы больше не ограничивались традиционными изоляционными материалами, а стали активными компонентами в электронных приложениях.

Прогресс в теории ферроэлектриков и их применениях, таких как ферроэлектрическая память, инфракрасные пироэлектрические датчики и фотоэлектрические эффекты, открыл новый этап инноваций.

Ферроэлектрические керамика появилась как отдельный класс функциональных керамических материалов.

Начиная с 1980-х годов, исследования в области фазовых превращений и сверхпроводимости расширили область функциональных керамических материалов.

Значительные успехи также были достигнуты в развитии керамики с исключительной твердостью, ультравысокой прочностью, высокой термической стойкостью и высокой прозрачностью к свету и определенным видам излучения.

Классификация и применение функциональных керамических материалов

Керамические конденсаторы являются наиболее широко используемым типом конденсаторов в электронной технике. Их основными компонентами являются рутил, бариевый титанат, бариево-стронциевый титанат, свинцовый титанат, станнат и цирконат.

Их структуры включают в себя керамические конденсаторы высокого напряжения типа диска, конденсаторы с зерновым граничным слоем и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) являются важным электронным компонентом, широко используемым в различных поверхностно-монтажных цепях в электронных информационных продуктах. Основными направлениями развития MLCC являются высокая емкость, тонкие слои, низкая стоимость и высокая надежность.

Ключевые материалы и применения:

Керамические диэлектрические материалы: они критически влияют на производительность многослойных керамических конденсаторов. Ферроэлектрические керамики на основе бария титаната являются основным материалом.

Свинцово-цирконатитанат (PZT): Преимущественно используется в ультразвуковых преобразователях, пьезоэлектрических резонаторах, фильтрах, микро-дисплейсерах и пьезоэлектрических приводах.

Свинцовые пьезоэлектрические керамики: Недавно свинцовые пьезоэлектрические керамики привлекли внимание как экологически чистые материалы. Они в основном основаны на титанатах, ниобатах и цинкатах, и считаются материалами с высокой частотой, низкими потерями и стабильными по температуре диэлектрическими материалами.

Приложения в микроволновых связях:

Используется в микроволновых резонаторах, фильтрах, осцилляторах, фазовых сдвигателях, конденсаторах, антеннах и подложках, играя ключевую роль в мобильной связи, спутниковой связи, GPS, Bluetooth, WLAN и других современных технологиях микроволновой связи.

По сравнению с металлическими резонаторами полости, микроволновые диэлектрические резонаторы обладают более компактным размером, меньшим весом, лучшей температурной стабильностью и более низкой стоимостью, что делает их неотъемлемыми для миниатюризированных и интегрированных устройств связи.

Материалы для функциональной керамики:

Высоковольтные керамика, керамические компоненты, подложки и многослойные керамические упаковочные материалы являются неотъемлемыми в электронике, микроэлектронике и оптоэлектронике. Сюда входят керамика талька, керамика муллита, керамика корунда, алюминия и нитрида алюминия.

• Состав: BaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, SiC, ZnO, Bi2O3, SnO2, MgCr2O4 и т. д.

Приложения в датчиках и магнитных устройствах:

Функциональные керамика используется в температурно-чувствительных, давлению-чувствительных, светочувствительных, газочувствительных и влагочувствительных компонентах и датчиках.

Они являются основными материалами для различных магнитных и индуктивных устройств, включая мягкие ферриты, постоянные магниты и нанокристаллические мягкие магнитные сплавы. Ключевыми примерами являются марганец-цинковые ферриты, никель-цинковые ферриты и постоянные магниты из редкоземельных металлов нейдим-железо-бор.

Устройства высокой частоты:

Поверхностно-акустические волны (SAW) устройства доминируют в высокочастотных приложениях. Материалы включают кварцевые кристаллы, литиевый ниобат, литиевый танталат, литиевый тетраборат и новые пьезоэлектрические одиночные кристаллы, такие как La3Ga5SiO14 (LGS).

Релаксорные ферроэлектрические пьезоэлектрические однокристаллы, такие как PMN-PT и PZN-PT, сделали значительные успехи в медицинском ультразвуковом изображении.

Другие передовые функциональные керамики:

Тонкопленочные функциональные керамики, прозрачные электрооптические керамики PLZT, керамика дальнего инфракрасного диапазона, пьезоэлектрические композиты, магнитоэлектрические композиты, прозрачные проводящие материалы ITO и ATO, керамика быстрых ионов (например, материалы электродов твердотельного топливного элемента и литий-ионных батарей), биокерамика, керамика высокотемпературных сверхпроводников и керамика ядерных реакторов.

Темы исследований:

Керамика без свинца:

С увеличением осознания окружающей среды, безсвинцовые пьезокерамические материалы стали основным объектом исследований. Исследователи исследуют альтернативные материалы, такие как бисмутосодержащие и щелочнометаллические керамики, чтобы заменить традиционный цирконат-титанат свинца (PZT).

Высокопроизводительные диэлектрические материалы:

Проводятся усилия по разработке диэлектрических материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью, меньшими потерями и лучшей температурной стабильностью, чтобы удовлетворить требования современных высокочастотных и миниатюризированных электронных устройств.

Микроволновые диэлектрические керамики:

Исследования по микроволновым керамическим материалам сосредотачиваются на достижении высокой частотной стабильности, низкой стоимости и совместимости с техникой многослойной обработки, особенно для использования в коммуникационных сетях 5G и спутниковых технологиях.

Продвинутые пьезоэлектрические однокристаллы:

Релаксорные ферроэлектрические однокристаллы, такие как PMN-PT и PZN-PT, дальше разрабатываются для улучшения их пьезоэлектрических свойств для применения в медицинской диагностике и точных приводах.

Многофункциональные композитные керамики

Качество керамических изделий в значительной степени зависит от качества сырьевых порошков. Усовершенствованные функциональные керамика обычно имеют следующие требования к сырьевым порошкам:

Высокочистое соединение состояния основных компонентов.

Для композитных оксидных порошков требуется определенная кристаллическая фаза, или содержание этой фазы должно соответствовать минимальному порогу.

Конкретные требования к размеру частиц порошка и их однородности.

Стохиометрические соотношения элементарных оксидов в композитных оксидных порошках.

Частицы порошка с равномерной и четко определенной морфологией.

Высокопроизводительные керамические диэлектрики для хранения энергии

Конденсаторы для хранения энергии обладают преимуществами, такими как высокая плотность энергии, быстрая скорость зарядки и разрядки, устойчивость к циклическому старению и стабильная работа в экстремальных условиях, таких как высокая температура и высокое напряжение. У них широкие перспективы применения в таких областях, как электромобили, силовая электроника, импульсные источники питания, оружие с высокой плотностью энергии, возобновляемая энергия и системы умных сетей.

Диэлектрические керамики и их компоненты

Миниатюризация (включая упаковку на микросхемах) является одной из ключевых целей в текущем развитии компонентов. Для достижения этой цели необходимо:

Улучшение характеристик керамических материалов.

Развитие передовых производственных процессов и технологий.

Пьезоэлектрические и ферроэлектрические керамика и их компоненты

Пьезоэлектрические керамика занимают важное положение среди информационных функциональных керамических материалов. Пьезоэлектрические приводы обладают преимуществами, такими как высокая точность управления перемещением, быстрый отклик, высокая сила привода, низкое энергопотребление и широкий диапазон рабочих частот. В результате пьезоэлектрические керамика широко используются в электромеханических датчиках и приводах. Компоненты, такие как резонаторы, фильтры, устройства поверхностных акустических волн и пьезоэлектрические керамические приводы, играют ключевую роль в информационных технологиях.

Экологически чистые безсвинцовые пьезокерамические материалы

В настоящее время свинцовые пьезоэлектрические керамики в основном классифицируются на три системы: BaTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 и K0.5Na0.5NbO3 (KNN). Среди них BaTiO3 и Na0.5Bi0.5TiO3 обладают относительно низкой пьезоэлектрической производительностью и температурой Кюри, в основном используются в ультразвуковых детекторах. KNN, благодаря более низкой температуре спекания, высокой температуре Кюри и высокому пьезоэлектрическому коэффициенту, показывает потенциал заменить PZT как жизнеспособный альтернативный материал.

Мультиферроики с совместным ферроэлектричеством и ферромагнетизмом, а также магнитоэлектрическим взаимодействием.

Тенденция к миниатюризации компонентов увеличила исследования многофункциональных материалов, объединяющих диэлектрические и магнитные свойства. Мультиферроические материалы обладают как ферроэлектрическими/пьезоэлектрическими, так и ферромагнитными характеристиками, и, что более важно, они демонстрируют магнитоэлектрические эффекты, такие как намагничивание под действием электрического поля или поляризация под действием магнитного поля. Эти материалы предлагают значительный потенциал для разработки новых технологий обработки информации и магнитоэлектрических датчиков на основе интеграции ферроэлектрических/пьезоэлектрических и магнитных эффектов. Недавно это стало передовым исследовательским направлением на международном уровне.

Семь Гигантский Электрокалорический Эффект

Электрокалорийный эффект относится к адиабатическому изменению температуры или изотермическому изменению энтропии в полярных материалах, вызванным изменениями в поляризационных состояниях из-за внешнего электрического поля. Сообщения об электрокалорийном эффекте уходят в 1930-е годы, но из-за низкой рабочей силы электрического поля керамических материалов наблюдаемые адиабатические изменения температуры обычно были менее 1°C. В последние годы в этой области исследований произошли быстрые прогрессивные изменения.

Появление технологии пассивной интеграции

Возникновение технологии пассивной интеграции, которая объединяет различные пассивные электронные компоненты (конденсаторы, катушки, резисторы, датчики, антенны и т. д.) в один модуль с использованием керамики с низкой температурой спекания (LTCC), открыло новые области применения для функциональных керамических материалов. В то же время это создало множество научных вызовов в области материалов и изготовления.

Разработка новых функциональных керамических материалов с низкими температурами спекания и высокой производительностью.

Материалы LTCC с нулевым усадкой.

Материалы LTCC для радиочастот и микроволновых устройств.

Техники формирования и взаимосвязи внутренних электродов в 3D и сложноструктурированных керамических устройствах.

Методы ленточного литья низкой стоимости для высокоэффективных ультратонких керамических мембран.

Управление поведением уплотнения совместного сжигания и совместимостью интерфейса в гетерогенных материалах.

Моделирование, симуляция, принципы проектирования и оптимизация производительности в интегрированных керамических системах, включая анализ распределения поля.