摘 要 本文對(duì)電子陶瓷系統(tǒng)中的絕緣質(zhì)、介電質(zhì)、壓電質(zhì)與離子導(dǎo)體的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述。指出了電子陶瓷材料及其生產(chǎn)工藝的研究動(dòng)向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 電子陶瓷，材料，研究和開發(fā)

1引言

電子陶瓷材料主要指具有電磁功能的一類功能陶瓷，它具有較大的禁帶寬度，可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其介電性能和導(dǎo)電性能。它以電、磁、光、熱和力學(xué)等性能及其相互轉(zhuǎn)換為主要特征，廣泛應(yīng)用于電子、通訊、自動(dòng)控制等眾多高科技領(lǐng)域^[1]。

近年來，電子陶瓷的研究和開發(fā)十分引入注目，其新材料、新工藝和新器件已在諸多方面取得了成果。

2電子陶瓷材料研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景

2.1 高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷

2.1.1高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷的研究現(xiàn)狀

絕緣陶瓷又稱裝置瓷，它具有高電絕緣性、優(yōu)異的高頻特性、良好的導(dǎo)熱性以及高化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等特性。

AlN于1862年首次合成^[2]，20世紀(jì)50年代后期，隨著非氧化物陶瓷受到重視，人們開始將AlN陶瓷作為一種新材料進(jìn)行研究，側(cè)重于將其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用。近10年來，AlN陶瓷的研究熱點(diǎn)是提高熱傳導(dǎo)性能，應(yīng)用對(duì)象是電路基板和封裝材料。最新研究通過采用有效的燒結(jié)助劑如CaO和Y₂0₃生產(chǎn)出了高純度、高熱導(dǎo)率的AlN。

BeO陶瓷是一種高導(dǎo)熱率、電絕緣性能良好的材料，它對(duì)微電子集成電路的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，但因其有劇毒，已逐漸被停止使用^[3]。

近30年來，由于人們的重視和工業(yè)應(yīng)用的需要，高導(dǎo)熱電絕緣陶瓷逐漸發(fā)展壯大，研究方向也有了一些變化，主要表現(xiàn)在：

(1) 新材料的開發(fā)。一方面，在原有材料的基礎(chǔ)上開發(fā)新的材料，如在SiC中添加2%BeO，獲得SiC-BeO高導(dǎo)熱電絕緣材料，性能優(yōu)于BeO^[4]；另一方面，獨(dú)立開發(fā)新材料，正在開發(fā)中的有氮氧化硅（Si₂ON₂）、SiC纖維、氮化硅系列纖維等^[5～6]。

（2） 除原料配方外，成形和燒成工藝研究也取得了較大的進(jìn)展。1966年Bergmann和Barrington提出了陶瓷粉末的沖擊波活化燒結(jié)新工藝的概念。在成形工藝上，20世紀(jì)90年代開發(fā)出兩種泥漿原位凝固的成形工藝：凝膠澆注和直接凝聚澆注工藝。在國外的一些實(shí)驗(yàn)室已成功地利用這兩種工藝制備出形狀復(fù)雜的氧化鋁、氮化硅、碳化硅等制品。

(3) 近年來，針對(duì)高導(dǎo)熱電絕緣陶瓷制備成本高的問題，一些科技工作者著重研究如何降低制造成本，以期改變應(yīng)用落后的現(xiàn)狀。

2.1.2高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷的應(yīng)用前景

高導(dǎo)熱、電絕緣陶瓷具備優(yōu)良的綜合性能，在多方面都有著廣泛的應(yīng)用前景，如高溫結(jié)構(gòu)材料、金屬熔液的浴槽、電解槽襯里、熔融鹽類容器、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體和主動(dòng)裝甲材料等。尤其是其導(dǎo)熱性良好、電導(dǎo)率低、介電常數(shù)和介電損耗低等特性，使其成為高密度集成電路基板和封裝的理想材料。同時(shí)也可用作電子器件的封裝材料、散熱片以及高溫爐的發(fā)熱件等。

2.2 介電陶瓷

2.2.1介電陶瓷的研究現(xiàn)狀

鈦酸鋇陶瓷由于具有高介電常數(shù)、良好的鐵電、介電及絕緣性能，主要用于制備電容器、多層基片、各種傳感器等。鈦酸鋇粉體的制備方法很多，其中液相合成法因具有高純、超細(xì)、均勻等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞。美國主要以草酸鹽法和其它化學(xué)合成法為主^[8～10]；日本則主要采用350℃以下的水熱法來合成^[11]；朱啟安用氫氧化鋇和偏鈦酸為原料，制備了純度高、粒徑小的鈦酸鋇粉體，能滿足電子工業(yè)對(duì)高質(zhì)量鈦酸鋇粉體的需求。此外，以偏鈦酸、氯化鋇、碳酸銨為原料，采用沉淀法可制備出純度高、粒徑小的鈦酸鋇粉體。該工藝不需加熱，且時(shí)間短，可降低設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗。

研究表明：把La、Nb、Bi等摻入SrTiO₃中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象，并將明顯增大電容率、提高介電性。因此，摻有上述離子的SrTiO₃陶瓷有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可用于制造高電壓和高電容的陶瓷電容器。

鈦酸鍶粉體的制備方法也是研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)已開發(fā)出許多化學(xué)液相粉體制備方法，如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法等。張士成等^[12]以TiCl₄水解得到的H4TiO₄膠體作為鈦源，在熱水溶液中制備出了SrTiO₃粉體。

2.2.2 介電陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)

今后幾年介電陶瓷的發(fā)展方向仍將是多層陶瓷電容器(MLC)和微波介質(zhì)陶瓷。具體表現(xiàn)在多層陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介質(zhì)濾波器的需求是通信市場(chǎng)發(fā)展的結(jié)果。目前，大多數(shù)廠家的生產(chǎn)都集中在溫度穩(wěn)定的低損耗介質(zhì)上。此外，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，含鉛材料的開發(fā)將逐漸減少。

2.3 壓電陶瓷

2.3.1 壓電陶瓷的現(xiàn)狀

壓電陶瓷作為一種新型功能材料，廣泛應(yīng)用于傳感器、氣體點(diǎn)火器、報(bào)警器等裝置中。它的應(yīng)用大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類：前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高；后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式。

鈦酸鉛常溫下屬四方晶系，當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，是理想的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。因此，鈦酸鉛是一種可用于高溫、高頻場(chǎng)合的壓電材料。純鈦酸鉛的壓電性能較低，而且很難燒制，當(dāng)冷卻至居里點(diǎn)時(shí)，就會(huì)碎裂為粉末；加入少量雜質(zhì)可抑制開裂，提高壓電性能。

王歆^[13]等研究了以氨水-二氧化碳為混合沉淀劑，在懸濁液中合成出碳酸鉛與二氧化鈦的均勻混合物，使碳酸鉛均勻地附著在二氧化鈦顆粒的表面，經(jīng)過濾、烘干、高溫煅燒后得PbTiO3基質(zhì)粉體。

2.3.2 壓電陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)今所用的壓電陶瓷材料，主要是Pb（Ti，Zr）O₃（PZT）、PbTiO₃-PbZrO₃-ABO₃（ABO₃為復(fù)合鈣鈦礦型鐵電體）及PbTiO₃等鉛基壓電陶瓷。PbO（或Pb₃O₄）的含量約占原料總量的70%。近年來歐美等國已把PbO定為限用對(duì)象，因此，開發(fā)無鉛或低鉛的壓電陶瓷勢(shì)在必行；其研究正在日本、美國的一些大學(xué)開展。無鉛壓電陶瓷最早使用的是BaTiO₃（BT），現(xiàn)在主要是Biv0.5Na0.5TiO₃（BNT）和KnbO₃（KN）等鈣鈦礦型系列。BNT是一種A位復(fù)合鈣鈦礦鐵電體，具有鐵電性強(qiáng)、壓電常數(shù)大、介電常數(shù)小、聲學(xué)性能好等優(yōu)良特性，且燒結(jié)溫度較低，被認(rèn)為是最具吸引力的無鉛壓電陶瓷材料體系之一。但單純的BNT陶瓷矯頑場(chǎng)強(qiáng)大，在鐵電相區(qū)電導(dǎo)率高，難以極化，其壓電鐵電性能也難以發(fā)揮，因此很難實(shí)用化。近年來，人們就BNT陶瓷改性及其相變特性進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了較大的進(jìn)展。

2.4 快離子導(dǎo)體陶瓷

2.4.1 典型的離子導(dǎo)體陶瓷

快離子導(dǎo)體陶瓷是指電導(dǎo)率可以和液體電解質(zhì)或溶鹽相比擬的固態(tài)離子導(dǎo)體陶瓷，又稱電解質(zhì)陶瓷。其離子電導(dǎo)率可達(dá)10^-1～10^-2S·cm^-1，活化能低至0.1～0.2eV。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體材料有數(shù)百種之多，其中較為典型的有氧離子導(dǎo)體、鈉離子導(dǎo)體、鋰離子導(dǎo)體和氫離子導(dǎo)體。

（1） 氧離子導(dǎo)體：以氧離子為主要載流子的快離子導(dǎo)體。氧離子導(dǎo)體具有特殊的功能，已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，如作為高溫燃料電池、氧泵的隔膜材料和氧傳感器等。發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的是以二價(jià)堿土氧化物和三價(jià)稀土氧化物穩(wěn)定的ZrO₂固溶體。

（2） 鈉離子導(dǎo)體：美國福特汽車公司發(fā)現(xiàn)以鈉離子為載流子的β-Al₂O₃在200～300℃有特別高的離子導(dǎo)電率后，鈉離子導(dǎo)體發(fā)展成為一類重要的快離子導(dǎo)體。此外，骨架結(jié)構(gòu)鈉離子導(dǎo)體的研究也取得了顯著進(jìn)展。

（3） 鋰離子導(dǎo)體：隨著高能電池研究的發(fā)展，以鋰離子導(dǎo)體作為隔膜材料的室溫全固態(tài)鋰電池，由于壽命長、裝配方便等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的重視。

（4） 氫離子導(dǎo)體：氫離子導(dǎo)體又名質(zhì)子導(dǎo)體，它在能源及電化學(xué)器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.4.2 快離子導(dǎo)電陶瓷的應(yīng)用及發(fā)展前景

目前，快離子導(dǎo)電陶瓷主要有兩方面的應(yīng)用：(1)用作各種電池的隔膜材料；(2)用作固體電子器件。已實(shí)用化的有燃料電池、常溫一次電池、蓄電池等。在低能電池應(yīng)用方面有銀離子、銅離子、鋰離子和氟離子固體電解質(zhì)電池。其中鋰碘電池由于可靠性高、壽命長，已用作心臟起搏器電源。硫鈉電池是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的一種新型高能固體電解質(zhì)蓄電池。它的理論比能量是鉛酸蓄電池的10倍，且電池放電電流大、充電效率高、原料來源豐富，是一種潛力很大的新能源；目前正在積極研究用于電動(dòng)汽車動(dòng)力源、火車輔助電源以及電站儲(chǔ)能裝置。國際上固體氧化物燃料電池的研究趨勢(shì)是降低電池的工作溫度，因?yàn)橹袦毓腆w氧化物燃料電池可以使用價(jià)格比較低廉的合金材料作連接板，對(duì)密封材料的要求也較低，使用壽命大幅延長。

3小結(jié)

（1） 隨著多層制作技術(shù)的發(fā)展，電子陶瓷元件可望繼續(xù)微型化。

（2） 無鉛或低鉛的壓電陶瓷研究開發(fā)已成當(dāng)務(wù)之急，其中單晶體則以KN和BNT-BT系列鈣鈦礦型無鉛強(qiáng)介質(zhì)材料的研究為熱點(diǎn)。

（3） 新型電子陶瓷的開發(fā)離不開薄膜制備技術(shù)。

（4） 醫(yī)學(xué)和通信是電子陶瓷應(yīng)用增長較快的領(lǐng)域。

（5） 對(duì)無機(jī)固體電解質(zhì)的探索仍將集中在以下三方面：①進(jìn)一步研究晶格結(jié)構(gòu)和離子傳輸機(jī)理，探索和合成具有高離子遷移骨架的化合物；② 發(fā)展新型非晶態(tài)無機(jī)電解質(zhì)；③進(jìn)一步提高已發(fā)現(xiàn)無機(jī)電解質(zhì)的性能和完善現(xiàn)有的應(yīng)用，并開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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