技術分享｜功能陶瓷

陶瓷是遠比金屬、塑料古老的材料，在人類的日常生活中扮演重要的角色，我們用的烹飪器具、餐具、衛生用潔具、裝飾材料等都用到了陶瓷材料，這是我們看到“陶瓷”這個字眼，所**能想到的。簡言之我們所認識到的都是傳統意義上的陶瓷，認為陶瓷就是有一些粘土燒制而成，其應用也僅僅是在日常生活中的幾個局限領域。功能陶瓷是在原料、制備工藝上區別于傳統陶瓷的，不僅僅利用人們熟知的陶瓷外在特點，如高強度、高硬度、耐熱性、耐腐蝕等特點，而且開發了陶瓷材料在力、光、電、聲、磁、化學、生物等方面的功能。

目前已發展成為性能多樣、品種繁多、使用廣泛、市場占有份額很高的一大類先進陶瓷材料。目前已經研究比較深入并大量使用的功能陶瓷有絕緣陶瓷、介電陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和結構陶瓷等,下面將介紹幾種主要的功能陶瓷及其應用。

絕緣陶瓷

直到20世紀以前,陶瓷一直是指以粘土為代表的硅酸鹽礦物燒制而成的器具,由于這些制品本身是絕緣的,故稱為絕緣陶瓷。廣泛應用于汽車、電力、計算機等領域,主要器件有絕緣子、火花塞、電阻器基體材料和集成電路基片等。

介電陶瓷

介電陶瓷是通過控制介電性質,使之符合高比介電常數、低的高頻損耗、適當的介電常數溫度變化值等要求的一種陶瓷。包括鐵電介質陶瓷、半導體介質陶瓷、高頻介質陶瓷和微波介質陶瓷等陶瓷介質材料,其主要用于電容器和微波電路元件的應用。

壓電陶瓷

壓電陶瓷在晶體結構上沒有對稱中心,具有壓電效應,也就是具有機械能與電能之間的轉換與逆轉換的功能。壓電陶瓷具有成本低、能量轉換效率高、加工成型方便等優點,主要用于制作壓電器材、變壓器、濾波器和諧振器等。

半導體陶瓷

半導體陶瓷是技術密集型的高技術材料,其重點是開發敏感陶瓷。這類陶瓷的半導性是指將陶瓷的晶相轉變成n型或p半導體,晶界要適當絕緣。主要包括半導體陶瓷電容器、熱敏電阻、壓敏電阻、濕度傳感器和氣體傳感器等。

自出現以來,功能陶瓷獲得越來越深入的發展,其性能更加多樣、品種更加繁多、使用更加廣泛。當前功能陶瓷發展趨勢可歸納為以下幾點:復合化,多功能化,智能化,低維化和材料、設計、工藝一體化。單一材料的功能和特性往往難以滿足新技術新發展對材料綜合性能的要求,復合材料可以綜合單一材料很多優異的性能。

智能材料是功能陶瓷發展和應用的更高階段,是現代科學技術發展和人類社會需求的必然結果。當材料的特征尺寸足夠小,尤其是到了納米級時,量子效應和表面效應將十分顯著,可產生獨特的電、磁、光、熱、力等物理和化學特性,納米功能陶瓷技術是研究的熱點之一,是一種新型的功能陶瓷材料。材料、設計、工藝的一體化,有助于開發更優異特征和更新功能的功能陶瓷。

為制備高可靠和高效能的功能陶瓷材料能及微型元器件提供理論依據,研究內容應該有:

1高性能功能陶瓷粉體制備關鍵基礎性問題

研究高性能功能陶瓷粉體制備中組成控制與結構控制的方法與理論,研究粉體制備過程中的反應機制、擴散機理以及粉體表征等關鍵性基礎問題,研究用于制備功能陶瓷材料的固液漿料體系的物理化學特性及其調控理論與技術。

2功能陶瓷膜、片與多層結構制備關鍵基礎性問題和關鍵技術

研究功能陶瓷膜、片、多層結構制備的基礎性和關鍵性問題,如流延、內電極、低溫共燒及制膜新技術等。研究陶瓷材料與異質材料的結合機理和界面結構。

3復相功能陶瓷的制備及相關基礎性問題

研究復相價電、鐵電陶瓷的組成、設計及其功能與效應的復合探索形成與穩定復相結構陶瓷的制備技術及提高功能陶瓷材料復相結構的重現性和一致性的相

關基礎性問題等。

現代功能陶瓷的特點是品種多、價格低、應用廣、功能全、技術高、更新快。通過對復雜多元氧化物系統的化學、物理及組成、結構、性能和使用效能間相互關系的研究,已陸續發現了一大批具有優異性能或特殊功能的功能陶瓷,并可借助于離子置換、摻雜等方法調節、優化其性能,功能陶瓷材料研究已開始從經驗式的探索逐步走向按所需性能來進行材料設計。一般來說,要從性能的改進來改善陶瓷材料的功能,辦法可從兩方面入手:

(1)從材料的組成上直接調節,優化其內在的品質。

包括采用非化學式計量、離子置換、添加不同類型雜質,使不同相在微觀級復合、形成不同性質的晶界層等。

(2)通過改變外界條件,即改變工藝條件以改善和提高陶瓷材料的性能,達到獲得優質材料的目的。工藝條件是指原料粉料的物理化學性質和狀態、加工成型方法和條件,燒成制度和燒結狀態,以及成品的加工方法和條件等。

無論從應用的廣度,還是市場占有率來看,在當前及以后相當一段時間內功能陶瓷在現代陶瓷中仍將占據主導地位。因此,功能陶瓷今后在性能方面會向著高效能、高可靠性、低損耗、多功能、超高功能以及智能化方向發展。在設備技術方面向著多層、多相乃至超微細結構的調控與復合、低溫活化燒結、立體布線、超細超純、薄膜技術等方向發展,在材料及應用的主要研究方向應包括智能化敏感陶瓷及其傳感器,具有高轉換率、高可靠性、低損耗、大功率的壓電陶瓷及其換能器;超高速大容量超導計算機用光纖陶瓷材料;多層封裝立體布線用的高導熱低介電常數陶瓷基板材料;量大面廣、低燒、高比容、用穩定性的多層陶瓷電容器材料等。

我國發展新型功能陶瓷材料,一方面要大力引進先進裝備及檢測手段,購買新材料配方和技術專利,來提高我國陶瓷材料的研究、開發、生產的起點水平;另一方面,又要在消化、吸收國外技術的基礎上,立即投入到有創造性的研究開發工作之中去。因此我國科技工作者應根據目標市場需求,有針對性地深入研究與市場相適應的應用技術,同時也為該項技術的發展尋找到真正的源泉和根本的推動力。同時國家亦應該在產業政策、投資力度、投資機制等方面對陶瓷驅動技術予以大力扶持,***的技術是買不來的,我們一定要積極發展有自主知識產權的技術,以使自己在未來全球經濟一體化的大潮中立于不敗之地。