新型功能材料

先进功能陶瓷材料

摘要:本文概述了先进功能陶瓷材料的基本分类和优良性能,并对研究现状做了陈述和对未来先进功能陶瓷材料的发展做了展望.

关键词: 先进功能陶瓷材料；分类；优良性能；发展概况；展望

Advanced ceramic materials

Abstract: This paper provides an overview of advanced ceramic materials the basic classification and excellent performance, and the research situation on the statement and the future of advanced ceramic materials is prospected.

Key words: advanced ceramic materials; classification; excellent performance; development situation; Prospect

1.功能陶瓷材料的简要介绍

功能陶瓷材料对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的一种陶瓷材料。功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此，

说它们多才多能一点都不过分【1-3】．它们在电、磁、声、光、热等方面具

备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。

超导陶瓷材料就是功能陶瓷的杰出代表。1987年美国科学家发现钇钡铜氧陶瓷在98K时具有超导性能，为超导材料的实用化开辟了道路，成为人类

超导研究历程的重要里程碑【2】。压电陶瓷在力的作用下表面就会带电，反

之若给它通电它就会发生机械变形。电容器陶瓷能储存大量的电能，目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支，在计算机中完成记忆功能。而敏感陶瓷的电性能随湿、热、光、力等外界条件的变化而产生敏感效应：热敏陶瓷可感知微小的湿度变化，用于测温、控温；而气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制、报警和空气调节；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，进行自动送料、自动曝光、和自动记数。磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料。还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶

瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作

用【3】。

2.先进功能陶瓷材料的发展

先进功能陶瓷是包括具有电，礠，光，声，热，力学等不同性能极其交叉偶合效应的压电，磁电，热电，光电等能量互换的功能材料，主要分类有电子陶瓷，磁性陶瓷，敏感陶瓷，光电陶瓷，生物陶瓷，快离子导体和高温超导陶瓷材料等

【4】。目前，残叶规模最大的功能陶瓷是新型元期间用的信息功能陶瓷或电子

陶瓷，约占60%-80%的份额，主要包括：电介质陶瓷（电绝缘陶瓷和电容器陶瓷），铁电陶瓷，压电陶瓷，微博陶瓷，半导体敏感陶瓷和磁性陶瓷等。

3.先进功能陶瓷材料的基本分类

3.1压电陶瓷

主要是以锆钛酸铅为主，应用于超声换能器，压电谐振器，滤波器，微位移

器和压电驱动器等【4-5】。近年来，作为环境友好性材料，无铅压电陶瓷的

研发和应用的到普遍重视。

3.2电容器陶瓷

陶瓷电容器是电子技术中使用量醉倒的电容器，其成分主要有金红石，钛酸

钡等。其结构有圆片式高压陶瓷，晶界层电容器和多层陶瓷电容器【5】。3.3 装置陶瓷

主要包括用于电子技术，微电子技术和光电子技术中，起绝缘作用的高压电瓷，陶瓷理念，基片及多层陶瓷封装材料等，有滑石瓷，莫来石，刚玉磁等

【6】。随着高温和低温供热陶瓷技术的快速发展，陶瓷和玻璃陶瓷基板材料

的需求昨年增加。

3.4微波介质陶瓷

主要为钛酸盐，锌酸盐基的陶瓷和玻璃陶瓷。是一种高频，低能耗，温度稳定型电介质材料，已经广泛应用于滤波器，移相器，微波电容等现代微波通讯的关键材料。

3.5 半导体陶瓷

主要组成有钛酸钡，钛酸镁等，主要用于热敏，电敏，光敏，气敏等敏感元

件和传感器中【7】。

3.6磁性陶瓷

是制造各种磁性与电感器件的基础材料，包括软磁铁氧体，永磁材料以及纳米微晶软磁合金等，其中主要是锰锌铁氧体，镍锌铁氧体等。

3.7压电晶体

应用于以声表面波器件为主的各类高频器件，主要有石英晶体，四硼酸锂和

新型雅典单晶等【8】。另外，驰豫型贴点压电单晶陶瓷等，已经在医用超声

成像方面取得突破性进展和应用。

3.8功能陶瓷薄膜

随着集成铁电学的深入研究，铁电陶瓷薄膜与微电子工艺的兼容，利用其贴典型，美国已成功研制了非挥发性铁电随机存储器，并且已批量生产。微小型话和集成化的不断发展，才来与器件的融合，分立和集成器件的界限越来

越模糊，这使得传统的材料分类变得困难【8-10】。

3.9其他功能陶瓷

除了上述得到广泛应用的功能陶瓷外，还有很多很有发展潜能和应用前景的陶瓷材料，例如远红外陶瓷，压电复合材料，磁电复合材料，透明导电材料，

快粒子导体陶瓷，生物医用陶瓷，高温超导陶瓷以及核反应堆陶瓷等【9】。

4.先进功能陶瓷材料的应用领域

高性能先进功能陶瓷材料具有电、光、磁、半导、化学等多方面的功能特性，从而在广泛的应用领域中占有重要地位，并有广阔的开拓前景。

（1）电学、电子功能材料该领域中有各种类型的材料，例如：绝缘材料、压电材料、半导体材料、离子传导材料等，现将典型的材料列举如下：氧化铝、钛酸钡、钛锆酸铅、氧化锌系陶瓷等。

（2）磁学功能材料铁氧体就是在这种功能的材料，铁氧体有软质和硬质之分。在软质铁氧体中，有尖晶石型和石榴石型；在硬质铁氧体中，有磁铅酸盐型【11】。（3）光学功能材料透光陶瓷有氧化铝、氧化镁、氧化钇；透光压电陶瓷（光电陶瓷）已知有PLZT【12】。

（4）化学功能材料这一领域的材料中，作为敏感元件的有：气敏元件、湿敏元件和催化剂；作为氧化物有的：氧化锡、氧化锌、复合氧化物等，应用很广。（5）热功能材料作为红外线辐射材料的有氧化锆、氧化钛。可用作热源。（6）生物体功能材料应用在人工牙齿、人工骨、人工关节等等。

以下是几种常用的先进功能陶瓷的大概分类和应用领域：

（一）电性陶瓷——可分别归纳为几大类

1．介质材料。许多陶瓷材料具有高的介电常数，称为介质材料。按其结构与性能，可分为以下几类。

（1）绝缘陶瓷。其典型代表有al2o3、aln及beo等。al2o3陶瓷已广泛用作半导体集成电路的基片与高性能的封装材料。aln具有更高的导热系数，有利于在日益增长集成度条件下热量的散失，是继al2o3之后，下一代的基片材料。beo同样具有高的导热系数，但由于铍的毒性，而且价格昂贵，限制了它的应用。

（2）铁电陶瓷。这是一大类功能陶瓷，具有铁电性，以ba- tio3、srtio3等为代表，有宽广的应用性，其中电容性陶瓷的产量及销售额占有最大的比重。

（3）压电陶瓷。铁电陶瓷经过极化处理，在大多数情况下可使其电畴转向、排列，从而具有压电性，以钛酸钡、锆钛酸铅等为其主要代表。用它们制成的器

件，在水声、电声、超声、滤波、引燃、引爆等方面，有甚为广泛的应用【13】。