新型无机材料

功能陶瓷研究进展与发展趋势

【摘要】功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料。它是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。随着现代新技术的发展，功能陶瓷及其应用正向着高可靠、微型化、薄膜化、精细化、多功能、智能化、集成化、高性能、高功能和复合结构方向发展。

关键词：功能陶瓷材料；研究进展；趋势

利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多，用途各异。例如，根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料。

功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷→压电铁电陶瓷→半导体陶瓷→快离子导体陶瓷→高温超导陶瓷的发展过程，目前己发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。近十年来，在人类社会对能源、计算机、信息、激光和空间等现代技术的迫切需求的牵引下，随着微电子技术、光电子技术、计算技术等高新技术的发展以及高纯超微粉体、厚膜和薄膜等制备工艺的进一步完善，功能陶瓷在新材料探索、现有材料潜在功能的开发和材料、器件一体化以及应用等方面都取得了突出的进展，成为材料科学和工程中最活跃的研究领域之一，也成为现代微电子技术、光电技术、计算技术、激光技术等许多高技术领域的重要基础材料。

当前功能陶瓷发展的趋势可以归纳为以下几个特点:复合化，多功能化，低维化，智能化和设计、材料、工艺一体化。单一材料的特性和功能往往难以满足新技术对材料综合性能的要求，材料复合化技术可以通过加和效应与藕合乘积效应开发出原材料并不存在的新的功能效应，或获得远高于单一材料的综合功能效应。最近提出的梯度功能材料也可看作一类特殊的复合材料。功能性与结构性结合的材料，或者具有多种良好功能性的材料，为提高产品的性能和可靠性，促使产品向薄、轻、小发展提供了基础。当材料的特征尺寸小到纳米级，由于量子效应和表面效应十分显著，可能产生独特的电、磁、光、热等物理和化学特性，功能陶瓷进入纳米技术领域是研究的热点之一，如铁电薄膜和超细粉体的制备等。智能材料是功能陶瓷发展的更高阶段，它是人类社会的需求和现代科学技术发展的必然结果。

一、研究现状

1、导电陶瓷

导电陶瓷具有良好的导电性能，而且能耐高温，是磁流体发电装置中集电极的关键材料。半导体陶瓷指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料。与单晶半导体不同的是，半导体陶瓷存在大量晶界，晶粒的半导体化是在烧结工艺过程中完成的，因此具有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，特别适用于作为敏感材料。除半导体晶界层陶瓷电容器外，目前已使用的敏感材料，主要有热敏材料、电压敏材料、光敏材料、气敏材料、湿敏材料等。如PTC（positive temperature coefficient的缩写）材料在国内无论是基础理论研究还是工业生产规模都有长足进步，其应用范围已渗透到航天、航空、航海、无线通讯、有线通讯、电子工业和民用电器等各个领域。而铬酸镧（La-CrO3）是一种钙钛矿型（ABO3）复合氧化物，具有很高的熔点（2490℃），它在掺杂Ca、Sr和Mg 等二价碱土金属后具有很多特殊的性质。在高温发热材料、固体氧化物燃料电池连接材料、催化剂、NTC热敏电阻等方面都得到广泛的应用，是一种很有前途的功能陶瓷材料。高温超导陶瓷指相对金属而言具有较高超导温度的功能陶瓷材料。从20世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。

2、压电陶瓷

压电陶瓷的晶体结构上没有对称中心，因而具有压电效应，即具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电陶瓷材料具有成本低、换能效率高、加工成型方便等优点，常用于制作压电器材、滤波器、谐振器和变压器等。常用的压电元件：传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要有高灵敏、高稳定压电陶瓷材料，电致伸缩陶瓷材料、热释电陶瓷材料等。压电陶瓷作为电、力、热、光敏感材料，在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。

3、纳米功能陶瓷

纳米功能陶瓷是指通过有效的分散、复合而使异质相纳米颗粒均匀、弥散地保留于陶瓷基质结构中而得到的复合材料，当其具有某种特殊功能时便称之为纳米功能陶瓷。纳米功能陶瓷的性能是和其特殊的微观结构相对应的，它的性能不仅取决于纳米材料本身的特性，还取决于纳米材料的物质结构和显微结构。

4、光催化功能陶瓷

先制备钛酸溶胶和掺入Fe3+的钛酸溶胶，用溶胶-凝胶法分别将它们负载于炻器管和矩形蜂窝陶体上，再用程序升温法煅烧得到纳米TiO2光催化功能陶瓷。经扫描电镜（SEM）测定炻器载体上负载的光催化膜厚度为300～400nm，TiO2的粒径为15～20nm。将光催化炻器管用于模拟苯酚废水和某地表水的处理试验，在紫外光强一定、流速为40ml/min条件下的结果表明无论掺Fe3+与否的TiO2光催化炻器管都有净化效果。其中以掺Fe3+最好，苯酚去除率为70.3%，灭菌率亦能达到99.5%。将光催化蜂窝陶瓷体用于净化空气试验时，在紫外光强、循环风量一定的条件下，其净化效果也是以掺Fe3+的TiO2最好。

5、陶瓷泡沫

陶瓷泡沫(Ceramic Foam)含有大量的亚结构一胞单元，具有比表面积大、热导率低、耐热性能优异等特性，这些性质引起学者们极大地关注。根据其结构组成特点，可将其分为开孔泡沫和闭孔泡沫。由固体棱柱组成的具有三维网络结构的泡沫体，称为开孔泡沫体，如图1(a)所示。由棱柱和壁面组成的具有空腔结构的泡沫体，称为闭孔泡沫体，如图1(b)所示。

(a)开孔陶瓷泡沫(b)闭孔陶瓷泡沫

图1

陶瓷泡沫材料的发展始于20世纪70年代，Schwartzwalder运用有机泡沫浸渍法制备了高孔隙率陶瓷，并将其过滤熔融金属，大大提高了产品质量。陶瓷泡沫产品极大的商业价值引起了科技界的重视，各国陆续开展相关的研究工作。我国在陶瓷泡沫力一面的研究工作始于20世纪80年代初，据报道，哈尔滨工业大学于1982年研制出用于铝合金过滤的陶瓷泡沫过滤器。此后，南昌航空工业学院、上海机械制造工艺研究所等单位先后开展了相关工作。近年来，陶瓷泡沫材料的应用又扩展到航空、电子应用、热能管理等领域，展现出良好的应用前景。

二、功能陶瓷发展的趋势

当前功能陶瓷发展的趋势可以归纳为以下几个特点：复合化，多功能化，低维化，