几种功能陶瓷材料的研究与发展现状

几种功能陶瓷材料的研究与发展现状

摘要

功能陶瓷作为一种新型的无机非金属材料，以其优越的性能正越来越多地应用到社会生活中来，同时对于它的研究也仍在不断的深入与发展。由于功能陶瓷材料的种类繁多，本文主要介绍了目前涉及比较广泛的铁电压电陶瓷材料，半导体陶瓷材料以及微波介质陶瓷材料的研究概况与进展。

关键词：铁电陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷微波介质陶瓷

前言

功能陶瓷主要是指那些利用电磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的先进陶瓷（现代陶瓷）。功能陶瓷的发展经历了电介质陶瓷、压电铁电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷等等一系列的过程，目前已发展成为性能多样、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。功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了巨大的促进作用，其应用领域也随之更为广泛。[1]目前主要用于电、磁、光、声、热和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储等，并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能人工智能、生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景。当前功能陶瓷正朝着复合化，多功能化，低维化，智能化和设计、材料、工艺一体化的方向进一步的发展。

一、铁电压电陶瓷材料的研究进展

[2]近年来，随着电子器件微型化、智能化的发展，各种性能优良、能满足制备体积更小电子器件的新型材料成为材料科学界的研究热点之一。铁电压电材料因其具有独特的电学、光学和光电子学性能，在现代微电子、信息存储等方面有着广泛的应用前景，已经成为当前新型功能材料研究的热点之一，其主要可以分为以下几大类。

1、弛豫铁电体

弛豫铁电体是指顺电—铁电转变，属弥散相变的铁电材料，一般为复合型化和物或固溶体。由于弛豫型铁电体具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和“弥散相变”得到的较低容温变化率、大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器及新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景。

近年来，弛豫铁电陶瓷的研究一直是人们关注的热点。[3]铌镁酸铅—钛酸铅单晶可

以用融法长成大单晶，其压电常数d33和耦合系数k33可分别达3000pc/N和0.94，从而使单晶具有规模应用的价值；经辐照处理的聚合物聚偏氟乙烯—三氟乙烯的固溶体（P （VDF—T rFE）成为弛豫铁电体，在电场作用下具有异常大的形变量（达4%）。这些都是压电领域中自PZT陶瓷发现以来的新突破，在驱动器、换能器、机器人等领域中有广阔的应用前景。

2、无铅压电陶瓷

无铅压电陶瓷，或称环境协调性压电陶瓷，是指既具有满意的使用性能又具有良好环境协调性的一类新型功能陶瓷材料，它要求材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质（特别是铅），并且在制备、使用废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质，以及制备工艺应具有耗能少、对环境污染小等良好的环境协调性。[4]目前研究和开发的无铅压电陶瓷体系主要有铌酸盐系陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钛酸盐陶瓷等，这些体系，主要是结合掺杂、取代改性以及陶瓷植被工艺，研究和开发出的新的无铅压电陶瓷后备材料。

无铅压电陶瓷同传统压电陶瓷工艺相比有合成温度低、烧结温度低、无须密封合成和烧结、无须高温下极化等特点。但无铅压电陶瓷的性能与铅基陶瓷相比，还存在比较大的差距。要获得与铅基陶瓷性能相近的无铅体系，还需要进行大量的研究和开发工作。

3、压电复合材料

压电复合材料是结合压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三类压电材料的优点所研究出来的一种新型的复合材料。根据多年实践，[5]国外学者总结出压电复合材料设计3条原则：

1）连通性原则，复合材料中各相自身连接的模式和控制系统中所加电场的量及场的分布模式。

2）对称性原则，复合材料中单个组元相的对称性及其在复合材料中排列的宏观对称性都可用于控制材料的性能。

3）尺度原则，复合材料各种能量系数的平均值决定于相关激发波长复合相的尺寸，如果波长与复合相尺寸可相比较，则可发生不寻常的共振。

[6]压电复和材料根据不同的连接类型又分为0—3型、1—3型、2—2型等，不同的连接类型中，陶瓷相和聚合物相的空间分布状态不同，将会导致电场分布的差异，而最终影响复合材料的介电性和压电性。其中1—3型压电复合材料是目前研究和应用最广泛的一种，它是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中而形成的两相

压电复和材料。[5]影响压电复合材料的性能的因素有很多，主要有连接类型、陶瓷含量、陶瓷空间尺寸、基体、成型工艺和极化工艺等几方面。

二、半导体陶瓷材料的研究进展

半导体陶瓷是敏感元器件及传感器技术的关键材料，是迅速发展的一项高新技术，[7]它与现代信息技术、通讯技术、计算机技术密切相关，它的研究开发乃至生产，涉及到物理、化学、材料科学与工程等多种学科。半导体陶瓷品种繁多，具有产业规模生产的主要有：热敏、气敏、湿敏、压敏及光敏电阻器等。

1、热敏

热敏电阻器一般可分为正温度系数（PTC），负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三类。

[8]PTC热敏电阻器是以BaTiO2或BaTiO3固溶体为主晶相的半导体陶瓷元件。在一定的温度范围内，其阻值随温度的增加而增加，表现出所谓的PTC效应。按材料居里点可分为低温、高温，按阻值分可分为低阻、高阻，按使用电压可分为低压、常压和高压，按曲线陡度可分为缓变型和开关型。PTC热敏电阻器的使用非常广泛，各种电子产品，电器设备中几乎都可以看到PTC热敏电阻元件。

NTC热敏电阻有三种不同类型的阻温特性。一种是缓变型的热敏电阻，另一种是负温度突变型，又称为临界温度系数热敏电阻（CTR），在特定温度内，其阻值急剧下降，再一种是阻温特性为直线的陶瓷热敏元件。［8］常温(300℃)NTC热敏陶瓷材料，大多数是尖晶石型氧化物半导体陶瓷，其中包括二元系材料及多元系材料。二元系陶瓷材料主要有MnO-CuO-O2系、MnO-CoO-O2系、MnO-NiO-O2系等金属氧化物陶瓷。三元系热敏陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、Mn-Cu-Ni系、Mn-Cu-Co系等含Mn的金属氧化物。也有不含Mn的NTC热敏陶瓷材料，如Cu-Ni系、Cu-Co-Ni系等。这些氧化物按一定配比混合，经烧结后，性能稳定，可在空气中直接使用，现在各国生产的负温度系数热敏电阻器，绝大部分是用这类陶瓷制成的。它们的电阻温度系数约为－1%～－6%／℃，工作温度在－60～-300℃之间，广泛用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量及时间延迟等技术领域。

2、气敏

［7］常见的气敏半导体陶瓷材料无论是n型，还是P型半导瓷，其气敏特性都是由于表面物理吸附，化学吸附或物理化学吸附引起表面能态发生改变，从而导致材料电导率