信息功能陶瓷研究的新进展与挑战

收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—０ ８一ｌ １
基 金 项 目 ：科 技 部 ９ ３计 划 项 目（ ０ ９ Ｂ ２ ３ ０ ７ ２０ Ｃ ６３０ ）
术 为应 用领 域 的信息 功 能 陶瓷成 为新 材料 研 究 中一 个 十 分 活跃 的 领 域 ，其 研 究 主要 集 中在 介 电、压 电／ 电、 铁
３ Ｓ ａ ｇ ａ ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ ｒ ｍｉｓ Ｃ ｉ ｅ ｅ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｃ ｅ ｃ ｓ Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ０， Ｃｈ ｎ ； ． ｈ ｎ ｈ ｉＩ ｓｉ ｔ ｆＣｅａ ｃ ， ｈ ｎ ｓ ａ ｅ ｆＳ ｉｎ ｅ ， ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ５ ｔ ２ ｉａ
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了规 模 庞大 的 电子元 件 产业 ；压 电 陶瓷材 料 的发 展 深刻
地 改变 了包 括 传 感 器 技 术 、超 声 技 术 、表 面 波 通 迅 技
术 、精 密定 位技 术 等一 系列 工业 技术 ；小 型 化 的氧 化 物
陶 瓷微 波元 器 件 的 出 现 使 当今 无 线 移 动 通 迅 得 以 飞速
化 ，仍 不清 楚 。
分 年青 的学 科 。一 方 面 ，元 器 件 的效 能 是 基 于 信 息 功 能 陶瓷 材 料 的丰 富功 能 效 应 ，这 取决 于 陶瓷 材 料 的组 成 和 微结 构 及技 术 ；另 一 方 面 ，信 息功 能 陶瓷 元 器 件 ，特 别 是微 小 型元 器 件 ，在 复 杂使 用 环境 中 的服 役 行 为 和稳 定 性直 接依 赖 于 微尺 度 陶 瓷材 料 结构 和 性 能 的 变 化 。但 由 于信 息 功能 陶瓷材 料 自身复 杂 的 多 晶 、多 相 、多 层 次 结 构 ，以及 功 能效 应 的内在 复 杂 物理 机 制 ，使 得 信 息 功 能
（ ． ｓ ｇ ｕ ｎｖ ｒｉ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ４，Ｃ ｉａ ． ｈｊ ｎ ｎｖ ｒｉ ，Ｈ ｎ ｚ ｏ ０ ８，Ｃ ｉａ １ Ｔ ｉ ｈ ａＵ ｉ ｓ ｙ ｅ ｉ １ ０ ８ ｎ ｅ ｔ ｊｇ ｈｎ ；２ Ｚ ｅｉ ｇ Ｕ ｉ ｓ ｙ ａ ｅ ｔ ｏ ｇｈ ｕ ３ ０ ５ １ ｈｎ ；
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节 能等 方 向发展 。世界 上 发 达 国家 的研 究 机 构 和 企 业 都
３ ０ｎ 以下 ，才 能 保 证 电 容 器 的 可 靠 性 ，但 晶粒 尺 寸 ０ ｍ 的 减 小 会 导 致 介 电 常 数 降 低 。特 别 是 当 层 厚 降 低 到
１ ｍ时 ， 陶 瓷 晶 粒 必 须 小 于 ２ ０ｎ 或 在 １０ ｎ 以 下 。 ０ ｍ ０ ｍ
发展 。
以信 息功 能 陶瓷为 基础 的一大 类无 源 器件 在 电 子信
息 、 自动 控制 、航 天航 空 、海 洋超 声 、能 源环 境 以及 国
防建设 的发 展 产 生 着 巨 大 的 影 响… 。例 如 ，２ Ｏ世 纪 ２ ０ 年 代 中叶 ，Ｎ ．ｎ ｉ ，ＭｎＺ Ｚ ．ｎ铁 氧 体 的 发 现 ，引 导 了 电 感
ｃ ｒ ｍｉｓ Ｉ ｈ ｓ ａ ｔ ｌ ． ｗｅ ｗ ｌ ｂ ｉｔ ｒ ｓ ｎ ｏ ｅ ｅ ｔｐ ｏ ｒ ｓ ｅ ， ｃ ａｌｎ ｅ ｎ ｕ ｕ ｅ ｉ￣ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｙ ｅ ａ ｃ ． ｎ ｔ ｉ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｒｅｌ ｐ ｅ ｅ ｔｓ ｍｅ ｒ ｃ ｎ ｒ ｇ ｅ ｓ ｓ ｌ ｙ ｈ ｌｅ ｇ ｓ ａ ｄ ｆ ｔ ｒ ｓ ｕ ｓ ｉ ｈ ｓ ｒ ａ ｏ ｌ
第２ ９卷 第 ８期 ２１ ０ ０年 ８月
中 国材 料 进 展
Ｍ ＡＴＥＲＩ Ｌ Ａ Ｓ ＣＨ Ｉ Ａ Ｎ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ８ １２ ． Ａｕ ． ０１ ｇ２ ０
信 息 功 能 陶 瓷 研 究 的 新 进 展 与 挑 战
南 策 文 ，王 晓 慧 陈 湘 明 ，李 敬 锋 ， ，李 永 祥 。 ， 徐 卓４ 汪 宏４ ， ，翟 继 卫 ，岳 振 星 ，李 龙 土 ，姚 熹４
（ ．清 华 大 学 ，北 京 １ １０ ８ ；２ ０ ０ ４ ．浙 江 大 学 ，浙 江 杭 州 ３ ０ ５ ；３ １ ０ ８ ．中科 院 上 海 硅 酸盐 研 究 所 ，上 海 ２０５ ； ０ ０ ０
４ ．西 安交通大学 ，陕西 西安
７０４ １０ ９；５ ．同济大学 ，上海
２０９ ） ００２
线 圈器 件 的 变 革 ，使 电话 和无 线 电 技 术 进 入 了 新 的 阶
防军 工等 高新 技 术领域 的应用 十分 广泛 。 目前 世 界 上无
源 电子元 器件 的市 场 规模 每 年 约 在 １５ ０亿 美 元 左 右 ， ０
预计 到 ２ １ ０ ０年 将 突破 ２０ ０亿 美元 。我 国也 已拥 有 相 当 ０
摘 要 ：信息 功能陶瓷是各类 电子元 器件 的核心材料 ，因而成 为无 机非金属材料研 究中最为活跃 的领 域。研究主要集 中在 介
电 、 压 电／ 电 、磁 性 介 质 陶瓷 ，导 电／ 导 体 陶 瓷 ， 以及 它 们 之 间 的 复 合 与 集 成 。 结 合 近 年 来 我 国 信 息 功 能 陶瓷 ９ ３计 划 项 铁 半 ７ 目的研 究情 况 ，从 几 个 方 面 简 述 了信 息 功 能 陶 瓷 领 域 相 关 研 究 的 新 进 展 、 面 ｌ 挑 战 及 发 展 趋 势 。 临的
Ａｂ ｔ ｃ ： Ｆ ｎ ｔ ｎ ｌ ｅａ ｉ ｒ Ｔ ａ ｅ ａ ｒ ｌ ｆ ａｉ ｓｅｅ ｔ ｎｃｄ ｖ ｅ ，ａ ｄ ｔｕ ａ ｅｂ ｃ ｍｅｔｅｍｏ ｔ ｓ ｒ ｔ ｕ ｃｉ ａ ｃ ｒｍ ｃ ｆ ｒ ｋ ｙ ｍ ｔ ｉ ｓｏ ｖｒ ｕ ｌｃ ｏ ｉ ｅ ｉ ｓ ｎ ｓｈ ｖ ｅｏ ｈ ｓ ａ ｏ ｓｏ Ｉ ｅ ｅ ａ ｒ ｏ ｒ ｃ ｈ
超 薄 层 ＭＬ Ｃ的研 究 尚有 诸 多 技 术 难 题 。 Ｃ ，尤 其 突 出
的是介 质 层 的超 薄 化 ，这 对 介 质 瓷 料 提 出 了 更 高 的 要 求 ，当介 质层 为 ２ ｍ 时 ，必 须 控 制 陶 瓷 的 晶 粒 度 在 约
薄 、轻 、短 、小 、便 携 式 的方 向发 展 ，这 些 信 息 功 能 陶 瓷元器 件 将 不 断 向 微 小 型 化 、 高 频 化 、 片 式 化 、 复 合 化 、高精 度 、耐 高 温 、大 功 率 、模 块 化 、智 能化 、环 保
通 信 作 者 ：南 策 文 ， 男 ，１６ ９ ２年 生 ，教 授 ，博 士 生导 师
第 ８期
南 策 文 等 ：信 息 功 能 陶瓷研 究 的新 进展 与 挑 战
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磁性 介 质 陶 瓷 、导 电／ 导 陶瓷 ，以 及 它 们 之 间 的 多 功 半 能复 合 与 集 成 。Ｊ 广 泛 应 用 于 电 容 器 （ 、 电感 器 。 Ｃ）
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在 新原 理 、新 材 料 、新 技 术 、新 产 品等 方 面 投 入 巨 资 进
行研 究 开 发 ，其 中 日本 是 功能 陶瓷材 料 与 元 器 件 研 究 与 开 发最 先 进 的代 表 。
这不 仅 要 求 制 备 优 质 均 匀 的 瓷 料 ，其 粉 末 粒 度 在 纳 米
级 ，而 且要 控 制烧 结 过 程 中 陶瓷 晶粒 的 长大 ，获得 纳米
关键 词 ：信息功能 陶瓷 ；薄膜 ；电介质 ；铁 电 ；压电 ；多铁性 ；元器 件
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｉ４ ７ ６ Ｑ ７．５
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ７ ６ ４—３ ６ （ ０ ０ ０ ０ ３ ９ ２ ２ １ ） ８— ０ ０一Ｏ ７
Ｒｅ ｅ ｔＰｒ ｇ ｅ ｓ ａ ｄ Ｃｈ ｌｅ ｅ ｏ ｃ ｎ ｏ ｒ ｓ ｎ ａ ｌｎｇ ｆ Ｆｕ ｔｏ ａ ｒ ｍ ｉ ｓｆ ｒ Ｉ ｎｃ ｉ ｎ ｌＣｅ ａ ｃ ｏ Ｔ
前 ，处 于 国际 领先 地 位 的 日本企 业 的 ＭＬ Ｃ单层 厚 度 已 Ｃ 接 近 １ ｍ，预 计 ２ １ ０ １年 进一 步 减 小 到 ０ ５ ｍ。大容 量 ．
（ 、驱 动 器 、传感 器 、存 储 器 以 及 Ｌ Ｌ） Ｃ滤 波 器 等 集 成
组件 。随着 电 子 整 机 向 数 字 化 、高 频 化 、多 功 能 化 和
段 ；“ 二战 ” 间发 明 的高 介 电 Ｂ ＴＯ 期 ａ ｉ 基 陶 瓷 ，使 得 电 容器 和压 电水 声换 能器 及其 相 关技术 发 生 了变 革 ，形 成
规 模 的信息 功 能 陶 瓷元 器件 产 业 ，但 市 场 占有 率 较 小 ，
一
些 高端产 品的关 键技 术 的创新 能 力亟 待加 强 。 近年 来 ，随 着 电子信 息技 术 的 高速 发展 ，以信 息技
１ 前 言
信 息功 能 陶瓷 （ 电子 陶 瓷 ） 其 电、磁 、光 、热 、 或 以 力 及其 耦 合的 机 电 、磁 电 、电光 等丰 富多 样 的功 能 占据 先 进 陶瓷材 料 的主 导 地位 ，基 于信 息 功 能 陶 瓷 材料 （ 包
括 陶瓷 块材 与 薄膜 ） 电子 元 器 件 ，对 社 会 、经 济 和 国 的
晶 陶瓷 ，同时 其应 具 有较 高 的介 电常 数 。另 一 方 面 ，在
超 薄 ＭＬ Ｃ中 ， 电极 化 与 电 失 效 等 行 为 会 发 生 什 么 变 Ｃ
信 息功 能 陶 瓷元 器 件 的不 断 提 出新 的挑 战 。功 能 陶 瓷材 料 科 学 是 一 门 十