電子陶瓷材料的發展現狀與趨勢
2006-01-01 00:00:00祝成波劉維平
佛山陶瓷 2006年1期
摘 要 本文對電子陶瓷系統中的絕緣質、介電質、壓電質與離子導體的現狀進行了綜合評述。指出了電子陶瓷材料及其生產工藝的研究動向和發展趨勢。
關鍵詞 電子陶瓷，材料，研究和開發
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調節其介電性能和導電性能。它以電、磁、光、熱和力學等性能及其相互轉換為主要特征，廣泛應用于電子、通訊、自動控制等眾多高科技領域[1]。
近年來，電子陶瓷的研究和開發十分引入注目，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狀及其應用前景
2.1 高導熱、電絕緣陶瓷
2.1.1高導熱、電絕緣陶瓷的研究現狀
絕緣陶瓷又稱裝置瓷，它具有高電絕緣性、優異的高頻特性、良好的導熱性以及高化學穩定性和機械強度等特性。
AlN于1862年首次合成[2]，20世紀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行研究，側重于將其作為結構材料應用。近10年來，AlN陶瓷的研究熱點是提高熱傳導性能，應用對象是電路基板和封裝材料。最新研究通過采用有效的燒結助劑如CaO和Y203生產出了高純度、高熱導率的AlN。
BeO陶瓷是一種高導熱率、電絕緣性能良好的材料，它對微電子集成電路的發展作出了巨大的貢獻，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應用的需要，高導熱電絕緣陶瓷逐漸發展壯大，研究方向也有了一些變化，主要表現在：
(1) 新材料的開發。一方面，在原有材料的基礎上開發新的材料，如在SiC中添加2%BeO，獲得SiC-BeO高導熱電絕緣材料，性能優于BeO[4]；另一方面，獨立開發新材料，正在開發中的有氮氧化硅（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展。1966年Bergmann和Barrington提出了陶瓷粉末的沖擊波活化燒結新工藝的概念。在成形工藝上，20世紀90年代開發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。在國外的一些實驗室已成功地利用這兩種工藝制備出形狀復雜的氧化鋁、氮化硅、碳化硅等制品。
(3) 近年來，針對高導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，以期改變應用落后的現狀。
2.1.2高導熱、電絕緣陶瓷的應用前景
高導熱、電絕緣陶瓷具備優良的綜合性能，在多方面都有著廣泛的應用前景，如高溫結構材料、金屬熔液的浴槽、電解槽襯里、熔融鹽類容器、金屬基復合材料增強體和主動裝甲材料等。尤其是其導熱性良好、電導率低、介電常數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。同時也可用作電子器件的封裝材料、散熱片以及高溫爐的發熱件等。
2.2 介電陶瓷
2.2.1介電陶瓷的研究現狀
鈦酸鋇陶瓷由于具有高介電常數、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、均勻等優點而倍受青睞。美國主要以草酸鹽法和其它化學合成法為主[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，能滿足電子工業對高質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，且時間短，可降低設備投資和生產能耗。
研究表明：把La、Nb、Bi等摻入SrTiO3中時，會產生弛豫現象，并將明顯增大電容率、提高介電性。因此，摻有上述離子的SrTiO3陶瓷有極強的實用價值，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，現已開發出許多化學液相粉體制備方法，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 介電陶瓷的發展趨勢
今后幾年介電陶瓷的發展方向仍將是多層陶瓷電容器(MLC)和微波介質陶瓷。具體表現在多層陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介質濾波器的需求是通信市場發展的結果。目前，大多數廠家的生產都集中在溫度穩定的低損耗介質上。此外，隨著人們環保意識的增強，含鉛材料的開發將逐漸減少。
2.3 壓電陶瓷
2.3.1 壓電陶瓷的現狀
壓電陶瓷作為一種新型功能材料，廣泛應用于傳感器、氣體點火器、報警器等裝置中。它的應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、彈性等性能穩定、機械品質因數高；后者主要是將一種能量形式轉換成另一種能量形式。
鈦酸鉛常溫下屬四方晶系，當溫度高于居里溫度時，晶體轉變為立方晶系，是理想的鈣鈦礦型結構。因此，鈦酸鉛是一種可用于高溫、高頻場合的壓電材料。純鈦酸鉛的壓電性能較低，而且很難燒制，當冷卻至居里點時，就會碎裂為粉末；加入少量雜質可抑制開裂，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，經過濾、烘干、高溫煅燒后得PbTiO3基質粉體。
2.3.2 壓電陶瓷的發展趨勢
現今所用的壓電陶瓷材料，主要是Pb（Ti，Zr）O3（PZT）、PbTiO3-PbZrO3-ABO3（ABO3為復合鈣鈦礦型鐵電體）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定為限用對象，因此，開發無鉛或低鉛的壓電陶瓷勢在必行；其研究正在日本、美國的一些大學開展。無鉛壓電陶瓷最早使用的是BaTiO3（BT），現在主要是Biv0.5Na0.5TiO3（BNT）和KnbO3（KN）等鈣鈦礦型系列。BNT是一種A位復合鈣鈦礦鐵電體，具有鐵電性強、壓電常數大、介電常數小、聲學性能好等優良特性，且燒結溫度較低，被認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陶瓷矯頑場強大，在鐵電相區電導率高，難以極化，其壓電鐵電性能也難以發揮，因此很難實用化。近年來，人們就BNT陶瓷改性及其相變特性進行了廣泛的研究，并取得了較大的進展。
2.4 快離子導體陶瓷
2.4.1 典型的離子導體陶瓷
快離子導體陶瓷是指電導率可以和液體電解質或溶鹽相比擬的固態離子導體陶瓷，又稱電解質陶瓷。其離子電導率可達10-1～10-2S·cm-1，活化能低至0.1～0.2eV。現已發現的快離子導體材料有數百種之多，其中較為典型的有氧離子導體、鈉離子導體、鋰離子導體和氫離子導體。
（1） 氧離子導體：以氧離子為主要載流子的快離子導體。氧離子導體具有特殊的功能，已在工業上得到廣泛應用，如作為高溫燃料電池、氧泵的隔膜材料和氧傳感器等。發現最早、應用最廣的是以二價堿土氧化物和三價稀土氧化物穩定的ZrO2固溶體。
（2） 鈉離子導體：美國福特汽車公司發現以鈉離子為載流子的β-Al2O3在200～300℃有特別高的離子導電率后，鈉離子導體發展成為一類重要的快離子導體。此外，骨架結構鈉離子導體的研究也取得了顯著進展。
（3） 鋰離子導體：隨著高能電池研究的發展，以鋰離子導體作為隔膜材料的室溫全固態鋰電池，由于壽命長、裝配方便等優點引起了人們的重視。
（4） 氫離子導體：氫離子導體又名質子導體，它在能源及電化學器件等方面有著廣闊的應用前景。
2.4.2 快離子導電陶瓷的應用及發展前景
目前，快離子導電陶瓷主要有兩方面的應用：(1)用作各種電池的隔膜材料；(2)用作固體電子器件。已實用化的有燃料電池、常溫一次電池、蓄電池等。在低能電池應用方面有銀離子、銅離子、鋰離子和氟離子固體電解質電池。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60年代中期發展起來的一種新型高能固體電解質蓄電池。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汽車動力源、火車輔助電源以及電站儲能裝置。國際上固體氧化物燃料電池的研究趨勢是降低電池的工作溫度，因為中溫固體氧化物燃料電池可以使用價格比較低廉的合金材料作連接板，對密封材料的要求也較低，使用壽命大幅延長。
3小結
（1） 隨著多層制作技術的發展，電子陶瓷元件可望繼續微型化。
（2） 無鉛或低鉛的壓電陶瓷研究開發已成當務之急，其中單晶體則以KN和BNT-BT系列鈣鈦礦型無鉛強介質材料的研究為熱點。
（3） 新型電子陶瓷的開發離不開薄膜制備技術。
（4） 醫學和通信是電子陶瓷應用增長較快的領域。
（5） 對無機固體電解質的探索仍將集中在以下三方面：①進一步研究晶格結構和離子傳輸機理，探索和合成具有高離子遷移骨架的化合物；② 發展新型非晶態無機電解質；③進一步提高已發現無機電解質的性能和完善現有的應用，并開發新的應用領域。
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