新型陶瓷材料论文陶瓷装饰材料论文：电子陶瓷材料的发展现状与趋势

电子陶瓷材料的发展现状与趋势

材料学院080201班李金霖

摘要本文对电子陶瓷系统中的绝缘质、介电质、压电质与离子导体的现状进行了综合评述。指出了电子陶瓷材料及其生产工艺的研究动向和发展趋势。

关键词电子陶瓷,材料,研究和开发

1引言

电子陶瓷材料主要指具有电磁功能的一类功能陶瓷，它具有较大的禁带宽度，可以在很宽的范围内调节其介电性能和导电性能。它以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，广泛应用于电子、通讯、自动控制等众多高科技领域[1]。

近年来，电子陶瓷的研究和开发十分引入注目，其新材料、新工艺和新器件已在诸多方面取得了成果。

2电子陶瓷材料研究现状及其应用前景

2.1 高导热、电绝缘陶瓷

2.1.1高导热、电绝缘陶瓷的研究现状

绝缘陶瓷又称装置瓷，它具有高电绝缘性、优异的高频特性、良好的导热性以及高化学稳定性和机械强度等特性。

AlN于1862年首次合成[2]，20世纪50年代后期，随着非氧化物陶瓷受到重视，人们开始将AlN陶瓷作为一种新材料进行研究，侧重于将其作为结构材料应用。近10年来，AlN 陶瓷的研究热点是提高热传导性能，应用对象是电路基板和封装材料。最新研究通过采用有效的烧结助剂如CaO和Y203生产出了高纯度、高热导率的AlN。

BeO陶瓷是一种高导热率、电绝缘性能良好的材料，它对微电子集成电路的发展作出了巨大的贡献，但因其有剧毒，已逐渐被停止使用[3]。

近30年来，由于人们的重视和工业应用的需要，高导热电绝缘陶瓷逐渐发展壮大，研究方向也有了一些变化，主要表现在：

(1) 新材料的开发。一方面，在原有材料的基础上开发新的材料，如在SiC中添加

2%BeO，获得SiC-BeO高导热电绝缘材料，性能优于BeO[4]；另一方面，独立开发新材料，正在开发中的有氮氧化硅（Si2ON2）、SiC纤维、氮化硅系列纤维等[5～6]。

（2）除原料配方外，成形和烧成工艺研究也取得了较大的进展。1966年Bergmann 和Barrington提出了陶瓷粉末的冲击波活化烧结新工艺的概念。在成形工艺上，20世纪90年代开发出两种泥浆原位凝固的成形工艺：凝胶浇注和直接凝聚浇注工艺。在国外的一些实验室已成功地利用这两种工艺制备出形状复杂的氧化铝、氮化硅、碳化硅等制品。

(3) 近年来，针对高导热电绝缘陶瓷制备成本高的问题，一些科技工作者着重研究如何降低制造成本，以期改变应用落后的现状。

2.1.2高导热、电绝缘陶瓷的应用前景

高导热、电绝缘陶瓷具备优良的综合性能，在多方面都有着广泛的应用前景，如高温结构材料、金属熔液的浴槽、电解槽衬里、熔融盐类容器、金属基复合材料增强体和主动装甲材料等。尤其是其导热性良好、电导率低、介电常数和介电损耗低等特性，使其成为高密度集成电路基板和封装的理想材料。同时也可用作电子器件的封装材料、散热片以及高温炉的发热件等。

2.2 介电陶瓷

2.2.1介电陶瓷的研究现状

钛酸钡陶瓷由于具有高介电常数、良好的铁电、介电及绝缘性能，主要用于制备电容器、多层基片、各种传感器等。钛酸钡粉体的制备方法很多，其中液相合成法因具有高纯、超细、均匀等优点而倍受青睐。美国主要以草酸盐法和其它化学合成法为主[8～10]；日本则主要采用350℃以下的水热法来合成[11]；朱启安用氢氧化钡和偏钛酸为原料，制备了纯度高、粒径小的钛酸钡粉体，能满足电子工业对高质量钛酸钡粉体的需求。此外，以偏钛酸、氯化钡、碳酸铵为原料，采用沉淀法可制备出纯度高、粒径小的钛酸钡粉体。该工艺不需加热，且时间短，可降低设备投资和生产能耗。

研究表明：把La、Nb、Bi等掺入SrTiO3中时，会产生弛豫现象，并将明显增大电容率、提高介电性。因此，掺有上述离子的SrTiO3陶瓷有极强的实用价值，可用于制造高电压和高电容的陶瓷电容器。

钛酸锶粉体的制备方法也是研究的热点，现已开发出许多化学液相粉体制备方法，如溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等。张士成等[12]以TiCl4水解得到的H4TiO4胶体作为钛源，在热水溶液中制备出了SrTiO3粉体。

2.2.2 介电陶瓷的发展趋势

今后几年介电陶瓷的发展方向仍将是多层陶瓷电容器(MLC)和微波介质陶瓷。具体表现在多层陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介质滤波器的需求是通信市场发展的结果。目前，大多数厂家的生产都集中在温度稳定的低损耗介质上。此外，随着人们环保意识的增强，含铅材料的开发将逐渐减少。

2.3 压电陶瓷

2.3.1 压电陶瓷的现状

压电陶瓷作为一种新型功能材料，广泛应用于传感器、气体点火器、报警器等装置中。它的应用大致分为压电振子和压电换能器两大类：前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定、机械品质因数高；后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式。

钛酸铅常温下属四方晶系，当温度高于居里温度时，晶体转变为立方晶系，是理想的钙钛矿型结构。因此，钛酸铅是一种可用于高温、高频场合的压电材料。纯钛酸铅的压电性能较低，而且很难烧制，当冷却至居里点时，就会碎裂为粉末；加入少量杂质可抑制开裂，提高压电性能。

王歆[13]等研究了以氨水-二氧化碳为混合沉淀剂，在悬浊液中合成出碳酸铅与二氧化钛的均匀混合物，使碳酸铅均匀地附着在二氧化钛颗粒的表面，经过滤、烘干、高温煅烧后得PbTiO3基质粉体。

2.3.2 压电陶瓷的发展趋势

现今所用的压电陶瓷材料，主要是Pb（Ti，Zr）O3（PZT）、PbTiO3-PbZrO3-ABO3（ABO3为复合钙钛矿型铁电体）及PbTiO3等铅基压电陶瓷。PbO（或Pb3O4）的含量约占原料总量的70%。近年来欧美等国已把PbO定为限用对象，因此，开发无铅或低铅的压电陶瓷势在必行；其研究正在日本、美国的一些大学开展。无铅压电陶瓷最早使用的是BaTiO3（BT），现在主要是Biv0.5Na0.5TiO3（BNT）和KnbO3（KN）等钙钛矿型系列。BNT是一种A位复合钙钛矿铁电体，具有铁电性强、压电常数大、介电常数小、声学性能好等优良特性，且烧结温度较低，被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一。但单纯的BNT陶瓷矫顽场强大，在铁电相区电导率高，难以极化，其压电铁电性能也难以发挥，因此很难实用化。近年来，人们就BNT陶瓷改性及其相变特性进行了广泛的研究，并取得了较大的进展。