“電子陶瓷”科研道路上的尖兵

于曉杰

打開手機外殼，你就會看到許多精小的貼裝電子元器件，其實這才是手機的“真身”，而電子陶瓷則是其最主要的材料之一。電子陶瓷，是在電子技術領域應用的功能陶瓷，通過對晶粒、晶界和尺寸結構的精密控制，獲得了能夠利用電、磁等性質的“超能力”，目前，它在信息能源、家用電器、汽車電子等方面都有廣泛地應用。

“其實不但是民用產品，在軍用產品中，電子陶瓷的使用也很多。我們現在主要研究的介電材料和壓鐵電材料都屬于它的范疇?！焙钣f。從博士時期起，他就一直沉醉于電子陶瓷的研究，對他來說，研究這種神奇的材料既是工作，也是樂趣。

打開壓電材料發電之門

“我本科和碩士階段學習的是化學專業，后來考進西北工業大學材料科學與工程系攻讀博士?！碑敃r國家非常重視電子陶瓷行業的發展，而侯育冬的導師田長生教授恰好就在上世紀90年代轉入這方面的研究。在他的引領下，侯育冬入了門?！拔液芨兄x我的博士導師，是他帶我發現了電子陶瓷的魅力，讓我愛上了這個研究領域。同時，我的老師還很重視研產結合，這對我的影響很大?！?/p>

2003年，侯育冬來到北京工業大學材料科學與工程學院工作，利用自身學術背景，著手組建先進電子陶瓷材料與器件研究室。經過十余年的發展，在國家和北京市政府的大力支持下，研究室建設取得了長足的進步，已擁有國際一流的電子陶瓷制備與測試裝備。至今為止，侯育冬已經主持了數十項國家和北京市各類科研項目，其中壓電陶瓷的研究是一大亮點。

當今世界化石能源日益短缺，尋找和發展可持續性的新型能源，并進行高效采集成為各國政府所面臨的緊迫任務之一?！皺C械振動能在環境中普遍存在，例如機器的噪聲、人在地板上的行走、汽車的行駛等日?，F象，其實都可以造成振動，而這種振動是可以作為清潔能源加以利用的”，侯育冬介紹說，以壓電陶瓷為核心的壓電能量收集器能夠捕獲環境中的振動能，經處理后可實現供電的目標。

可新技術的實現并不容易。壓電陶瓷一般為高阻電介質，利用其轉換得到的電能具有高電壓、低電流的特性，功率較小，因而長時間以來利用其發電并未引起人們關注，但是隨著近年來物聯網技術的迅猛發展掀起新一輪工業技術革新，轉折點出現了。侯育冬告訴記者：“與物聯網相關的低功耗微電子器件設計技術的進步在一定程度上解決了這一問題，使利用壓電能量收集技術供電成為可能。”

在我國，與光伏發電、風能發電和熱電發電等新能源技術相比，壓電發電的關注度低，研究極為薄弱。為了提升我國在壓電發電領域的技術水準，侯育冬帶領團隊圍繞高換能系數壓電陶瓷開展一系列創新研究。他通過歸納總結壓電陶瓷材料性能調控方面的主要研究成果；比較能量收集用鉛基、無鉛壓電陶瓷材料的機電轉換性能；討論具有高機電轉換性能壓電陶瓷材料設計方法等工作，指出了能量收集用壓電陶瓷材料研究發展中的主要問題，并為進一步開展研究提供了新思路！

“在材料設計方面，現有的用壓電陶瓷進行能量收集的研究，主要通過大范圍的組分調控獲得機電轉換性能優異的材料體系，但由于缺乏普適的預測模型與理論支撐，性能提升起來非常有限，工作量還極大?！倍谥苽涔に嚪矫妫钣J為在未來的研究中，可采用化學法制備納米尺寸的前驅陶瓷粉體，結合熱壓燒結或是放電等離子燒結等特種燒結工藝，實現晶粒尺寸梯度化精確調控，在提升材料力學性能的同時，基于“尺寸效應”遷移準同型相界位置，從而獲得力電性能均衡的能量收集細晶陶瓷材料。同時，他還指出將不同介電與壓電活性的組元進行拼接組合，設計復相結構也是提升材料壓電收集特性的重要途徑?！澳壳?，能量收集用壓電陶瓷的研究仍以鉛基PZT材料為主，其在軍事和航空航天領域的應用短時間內無法替代，但性能尚需進一步優化。而民用領域，特別是家用和醫療領域，對于壓電材料無鉛化的要求日益迫切?？墒呛豌U基材料相比，無鉛材料的機電轉換性能較低，退極化嚴重，機械力學性能尚不明確，還需要進一步研究?！?/p>

壓鐵電陶瓷的設計，微結構控制與力電行為物理機制研究，是侯育冬的另一個貢獻點。他發現了金紅石與鈣鈦礦類先兆性鐵電體中極性納米簇的誘導生成機制、動力學響應規律，并對寬頻介電弛豫譜進行了解析研究；對多組元細晶壓電陶瓷體系晶粒進行了多尺度生長調控，總結了晶界與相結構演化及相關力學與電學行為變化規律；研究了復雜體系壓電陶瓷過渡系摻雜元素的價態分布與缺陷結構演變，提出新穎的等價摻雜誘導第二相生成機制，并明確了液相燒結行為及電學參數定向調控的關聯性。此外，侯育冬利用其深厚的化學功底，發展了熔鹽拓撲化學、膠體水熱化學和水基溶膠凝膠化學等新方法成功構建出十余種不同尺度與取向結構的壓鐵電納米材料，有力推動了納米電子陶瓷器件的應用化研究?！斑@就是學科交叉的優勢，因為我有化學、電子學和材料物理等多個學科的科研背景?！焙钣f。苦心鉆研帶來的收獲是一百余篇高質量的學術論文，這些發表在Acta Mater、J AmCeram Soc和Appl Phys Lett等頂尖學術期刊上的科研成果大大提升了我國在相關壓鐵電材料研究領域的國際影響力。研產結合者

在侯育冬的心中，理論研究很重要，實際應用亦是關鍵，把這兩者有效地融合起來，是他一直在追求的目標。“目前，中國的科研還存在一個問題，就是學術研究與成果的實際應用之間還是有割裂的，在科研成果應用及產業化上，我們與國外有不小的距離?！焙钣J為，做科研可以多嘗試與企業合作，“這會使你更重視實際問題，合作的過程還可能讓你的研究目的更明確”。

在這種思想的指引下，侯育冬帶領課題組深入開展了電子陶瓷材料性能調控與器件應用的關聯性研究。目前，已成功試制出多種重要的電子陶瓷元器件，例如超高溫大容量多層陶瓷電容器、多層壓電陶瓷變壓器和高頻高穩定壓電陶瓷濾波器等，并以第一發明人獲授權十余項國家發明專利。

侯育冬坦言，將成果應用到工業生產并不容易，“這個過程實際上需要花費非常大的精力，一方面需要做調研；另一方面還要派人到企業工作，開銷會增加不少，但是為了得到理想的結果，這么做還是值得的?！?/p>

“現在，我們重點關注新能源領域壓電能量收集器研究?！痹诒本┕I大學國際交流項目的支持下，侯育冬團隊與歐洲丹麥的高校和企業聯合開展“中丹高性能壓電能量收集器技術創新平臺建設”。經過技術攻關，侯育冬課題組已經設計并組裝可用于評價懸臂梁和疊堆模式壓電能量收集器發電特性的動態測試樣機，該項成果可為制備高換能系數能量收集材料的器件化測試提供有力支撐，他也期望能夠將其盡快應用到產業中。

以己度人，侯育冬熱心于將科研路上的經驗傳授給學生，希望他們也成長為熱愛科研專業，具有產業視野的復合型人才。對于學生的課題研究，侯育冬只抓大方向，給學生們一個較寬松的平臺，這么做是因為他想培養學生的獨立思考能力，而不想讓其變成一個實驗“操作工”。但他的“寬松”是以“計劃”為前提的，他每個學期都會給學生制定學習與工作計劃，要求學生每個月完成一些任務，以督促他們進步。同時，侯育冬還鼓勵學生去參加國際相關會議和企業實踐，從而讓他們開闊視野并提升實踐能力。

作為北京工業大學創新創業實訓基地——“先進電子陶瓷材料與器件”基地負責人，他將學生培養與基地建設融在一處。通過北京高等學校高水平人才交叉培養“實培計劃”項目——“耐高溫大容量多層陶瓷電容器瓷料的設計與合成”，侯育冬課題組與國內最大的軍工陶瓷電容器生產商——北京元六鴻遠電子技術有限公司合作組建“電子陶瓷材料”企業校外實訓基地，他把學生真正推到科研與產業一線上去。

這些作為，為他贏得了學生的尊重，也收獲了良好的口碑。2012年，侯育冬以第一完成人申報的教學成果“電子陶瓷材料專業人才培養體系的構建與實踐”獲得北京工業大學優秀教育教學成果獎。而且，他還曾先后獲得北京工業大學教學優秀獎、學業輔導工作實效獎和北京工業大學優秀教師獎。培養的學生中也先后有數十人獲得國家獎學金、校長獎學金、三星獎學金、科技之星、優秀博士學位論文、優秀碩士學位論文和北京市優秀畢業生等榮譽。

對于未來，侯育冬很有“野心”，“目前我依舊熱愛我的工作，我要把它做到一個更高的水平，在壓電陶瓷這塊我希望我們能做到國內頂尖?！绷硗庠陔娮犹沾僧a業化方面，他將繼續加深與企業之間的合作，希望日后能夠填補國內該領域高端產品制造的空白，“這將涉及到我國軍事航天領域的發展，我們必須要自己掌握相關的核心技術?！焙钣f。