功能陶瓷材料研究進展概述

朱守金 倪江利 孫權海 邊健

摘? 要：功能陶瓷材料因具有磁、電、聲、光、力、熱等方面的優異性能，在微電子技術、激光技術、自動化技術、光電子技術、通信、環保、能源和生物醫藥等領域得到廣泛應用，在生活生產和科學技術發展中起到重要作用。文章重點介紹了功能陶瓷材料在我國的發展現狀，闡述了功能陶瓷材料的種類、基本性質、應用、發展趨勢及對策。

關鍵詞：功能陶瓷;應用;趨勢

中圖分類號：TQ174? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）23-0089-02

Abstract： Functional ceramic materials are widely used in microelectronic technology， laser technology， automation technology， optoelectronic technology， communications， environmental protection， energy and biomedicine because of their excellent magnetic， electrical， acoustic， optical， mechanical and thermal properties， thus playing an important role in life， work and the development of science and technology. This paper focuses on the development of functional ceramics in China， and expounds the types， basic properties， applications， development trends and countermeasures of functional ceramics.

Keywords： functional ceramics; application; trend

引言

功能陶瓷是利用光、熱、力、聲、磁、電等直接效應及耦合效應的一種先進材料。功能陶瓷經歷了電介質陶瓷、壓電鐵電陶瓷、半導體陶瓷、高溫超導陶瓷等一系列的過程，目前在微電子技術、電子技術、激光技術、自動化技術、光電子技術、通信、環保、能源和生物醫藥等領域得到廣泛應用，成為推動我國科技發展的重要功能性材料。當前功能陶瓷正朝著智能化、小型化、復合化、多功能化和材料、設計、工藝一體化的方向進一步的發展[1，2]。

1 功能陶瓷材料分類及應用

1.1 鐵電壓電陶瓷材料

隨著電子器件智能化、微型化的發展，體積更小、性能優良的新材料是材料科學界優先研究方向。具有獨特光學、電學和光電子學性能的鐵電壓電材料在信息存儲、檢測、傳感器、通訊、軍事上得到廣泛應用，其主要分為以下幾大類。

1.1.1 無鉛壓電陶瓷

無鉛壓電陶瓷是一類具有良好環境協調性和滿意的使用性能的一類新型功能材料。目前開發的主要有鈮酸鹽系陶瓷、鈦酸鹽陶瓷、鉍層狀結構壓電陶瓷，它們具有無須密封合成和燒結、無須高溫下極化、燒結溫度低、合成溫度低等特點。

1.1.2 弛豫鐵電體

弛豫鐵電體具有相對低的燒結溫度、很高的介電常數、大的電致伸縮系數、“彌散相變”得到的較低容溫變化率和幾乎無滯后的特點，在新型電致伸縮器件和多層陶瓷電容器應用廣泛。目前研究熱點是聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯的固溶體和鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶[3]。

1.1.3 壓電復合材料

目前研究非常活躍，應用范圍主要包括壓電傳感器、熱釋電傳感器、超聲成像、無損探傷、非均勻振動換能器。制作工藝不斷改進，探索出脫模法、注模成型法、遺留法等方法，壓電陶瓷結構精度從100？滋m提升到20？滋m。

1.2 半導體陶瓷材料

半導體陶瓷是傳感器技術及敏感元器件的關鍵材料，與通訊技術、現代信息技術、計算機技術密切相關，主要分為熱敏電阻、壓敏電阻、半導體陶瓷電容器、濕度傳感器和氣體傳感器等幾類。熱敏電阻器大多數是尖晶石型氧化物半導體陶瓷，包括MnO-NiO-O2系、MnO-CoO-O2系、MnO-CuO-O2系等二元金屬氧化物陶瓷，Mn-Cu-Co、Mn-Cu-Ni、Mn-Co-Ni 系等含Mn的三元金屬氧化物，廣泛用于控溫、測溫、穩壓、補償、遙控、時間延遲、流量流速測量等技術領域。氣敏半導體陶瓷材料主要包括CoO系、NiO 系ZrO2系、V2O5系、SnO系、Fe2O3系等過度金屬氧化物系，對天然氣、城市煤氣、丙烷、乙醇、甲烷等可燃氣體有相當高的靈敏度。壓敏電阻器是利用伏安特性呈非線性以及電阻對電壓變化敏感的半導體陶瓷。ZnO是性能最好、應用最廣的壓敏半導體陶瓷。光敏半導體陶瓷是利用陶瓷對光子能量的差異和電特性的不同，產生伏特、光電導效應來制造制造光敏電阻和光電池。典型的光敏陶瓷有CdTe-CdS、Cu2S-CdS、CdSe、CdS等。

1.3 微波介質陶瓷材料

微波介質陶瓷主要用于制造諧振器、濾波器、介質天線等設備，在現代通信設備中發揮重要的作用。微波介質陶瓷具有低介電損耗、高介電常數、溫度系數小等性能，能夠滿足微波電路高可靠性、低成本、集成化、小型化的要求。根據使用頻率和相對介電常數的不同，分為以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-MgO-Ta2O5、BaO-MgO-Nb2O5系統或它們之間的復合系統為代表的低εr和高Q值微波介質陶瓷、以（Zr、Sn）TiO4，Ba2Ti9O2，BaTi4O9等為代表的中εr和高Q值微波介質陶瓷，以鎢青銅結構，鉛基鈣鈦礦系列，BaOLn2O3-TiO2系列，復合鈣鈦礦CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列為代表的高εr和高Q值微波介質陶瓷[4]。

2 功能陶瓷發展趨勢及對策

2.1 功能陶瓷發展趨勢

小型化、低損耗化、復合化、多功能化、智能化將是未來新型功能陶瓷材料的發展趨勢。由于電子產品有向輕、薄、小發展的趨勢，這就要求材料、損耗必須越來越小，當材料尺寸達到納米級，表面、量子效應會顯著加強，會產生獨特的光、熱、電等特性，從而使材料產生一些新的功能。隨著科技的發展，對材料的功能也要求越來越高，單一材料往往難以滿足，可以通過離子摻雜、材料復合等手段開發出綜合的功能材料。智能材料是功能陶瓷發展的更高階段，它是人類社會的需求和現代科學技術發展的必然結果[5]。

2.2 對策

與發達國家相比，我國在功能陶瓷材料研究方面起步較晚，有一定的差距。為了開發出更好的功能材料，在功能材料研究方面應注意以下幾點。

（1）重點突出。功能陶瓷材料的種類多、應用多，不應面面俱到研究、開發，而是集中優勢開發需求量大、價值高的功能材料來滿足國家的需求。

（2）加強基礎研究，建立完善的研究開發體系。國家應該加大對高校基礎研究的投入，鼓勵高校成立開發研究團隊，加強高校和企業的產學研合作，解決功能材料研究、開發、生產、應用的難題。

3 結束語

文章重點介紹了功能陶瓷材料在我國的發展現狀，闡述了功能陶瓷材料的種類、基本性質、應用、發展趨勢及對策。從中可以看出功能陶瓷材料在通信、電子、計算機等方面有著舉足輕重的作用。希望國家加強功能材料的投入、研究、設計，開發新型功能陶瓷材料，為國家工業發展奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]林志偉.功能陶瓷材料研究進展綜述[J].廣東科技，2010，241：36.

[2]李龍土.功能陶瓷材料及其應用研究進展[J].硅酸鹽通報，2005（05）.

[3]王評初.弛豫鐵電體相變研究的最新進展[J].哈爾濱理工大學學報，2007，7（6）.

[4]尹雪帆，喻佑華，周川釣，等.微波介質陶瓷材料發展綜述[J].中國陶瓷，2006，24（2）.

[5]閆學增，林文松，方寧象，等.金屬封裝陶瓷復合材料制備方法的研究進展[J].輕工機械，2015（6）.