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电子陶瓷材料的发展及其市场观察

2023-11-06 10:34:03 来源:电子变压器与电感网 点击:5695

电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。电子陶瓷的行业的不断发展,高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。随着电子信息技术的高速发展,以信息技术为应用领域的功能陶瓷成为新材料研究中十分活跃的领域。而其应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品,包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等。数字技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求,世界各国的大学、研究机构和企业都在新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。

1.电子陶瓷材料的功能与应用领域

功能陶瓷是一类颇具灵性的材料,它们或能感知光线,或能区分气味,或能储存信息……因此,说它们多才多能一点都不过分.它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及,有的功能陶瓷材料还是一材多能呢。而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构,又称电子陶瓷。

电子陶瓷或称电子工业用陶瓷,它在化学成分、微观结构和机电性能上,均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的,其中最重要的是须具有高的机械强度,耐高温高湿,抗辐射,介质常数在很宽的范围内变化,介质损耗角正切值小,电容量温度系数可以调整(或电容量变化率可调整).抗电强度和绝缘电阻值高,以及老化性能优异等。利用陶瓷材料的高频或超高频和低频电气物理特性可制作各种不同形状的固定零件、陶瓷电容器、电真空陶瓷零件、碳膜电阻基体等等,它们在通信、广播、电视、雷达、仪器仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分;另外,随着激光、计算、集成、光学等新技术的发展,电子陶瓷的用途更日益扩大。在各种精密陶瓷中,以电子陶瓷的应用最多样,市场也最大,由于其优异的特性,且具有一些特殊的性能,如压电性、焦电性等,使它在电子工业上占有一个非常重要的地位。

大名鼎鼎的超导陶瓷材料就是功能陶瓷的杰出代表。1987年美国科学家发现钇钡铜氧陶瓷在98K时具有超导性能,为超导材料的实用化开辟了道路,成为人类超导研究历程的重要里程碑。压电陶瓷在力的作用下表面就会带电,反之若给它通电它就会发生机械变形。电容器陶瓷能储存大量的电能,目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支,在计算机中完成记忆功能。而敏感陶瓷的电性能随湿、热、光、力等外界条件的变化而产生敏感效应:热敏陶瓷可感知微小的湿度变化,用于测温、控温;而气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制、报警和空气调节;而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制,进行自动送料、自动曝光、和自动记数。磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料。

此外,还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等,在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。

随着我国电子工业的发展和民品需要,家用电器中对陶瓷滤波器及陶瓷谐振器的需求量迅猛增多,引进日本压电陶瓷频率元件生产线,拉开了我国压电陶瓷产品由军品转为民品的大批生产序幕。通过摸索和消化日本引进线的先进材料和工艺,国内很多中小型的压电陶瓷生产厂家得到了迅速发展。为了适应各类压电器件对材料性能的不同要求,材料研究人员广泛进行了改性添加剂的研究,开发出了大量高性能压电陶瓷材料。

电子陶瓷增稠剂商品可用以绝缘层瓷器、电解介质瓷器、压电陶瓷片、铁电瓷器、半导体材料瓷器等行业,关键具有分散化料浆的流通性、减少水分含量等功效。结构陶瓷具备较高的电阻、导热系数和耐热性,在热特性、密封性及可靠性规定苛刻的电路环境中被广泛使用。、因为较高的技术要求,在我国电子陶瓷制造行业长期性被日本国、英国及其一些具备与众不同技术性的欧州企业所垄断性。现阶段,在我国电子陶瓷制造行业已日趋完善,但与日本国和英国等经济发展资本主义国家对比,可谓发展环节,因而配套设施的瓷器增稠剂也在发展趋势。电子陶瓷材料的发展,同物理化学、应用物理学、硅酸盐物理化学、固体物理学、光学、电学、声学、无线电电子学等的发展密切相关,它们相互促进,从而在电子技术的飞跃发展中,使电子陶瓷也相应地取得了很大进展。

2.电子陶瓷材料的组织结构及性能特点

电子电器陶瓷由严格控制成分和特定工艺的陶瓷制成,无需机械研磨,电子陶瓷是广泛应用于电子信息领域中的具有独特的电学、光学、磁学等性质的一类新型陶瓷材料,它是光电子工业、微电子及电子工业制备中的基础元件,是国际上竞争激烈的高新技术材料。

结构陶瓷分为两大类:氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。氧化物陶瓷又以氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷为代表,非氧化物陶瓷以氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷为代表。结构陶瓷是具有耐高温、耐冲刷、耐腐蚀、高硬度、高强度、低蠕变速率等优异力学、热学、化学性能,常用于各种结构部件的先进陶瓷。结构陶瓷具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特色,因此,在非常严苛的环境或工程应用条件下,所展现的高稳定性与优异的机械性能,在材料工业上已倍受瞩目,其使用范围亦日渐扩大。结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料,它可以在许多苛刻的工作环境下服役,因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。

压电陶瓷是具有压电特性的电子陶瓷材料,展现压电特性,是能够将机械能和电能相互转换的材料。广泛运用于高科技医用器械:医学成像,声传感器,声换能器,超声马达等。

常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子,B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物,可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外,还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷,如偏铌酸钾钠和偏铌酸锶钡等,它们不含有毒的铅,对环境保护有利。

压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作,具有敏感的特性。

电子陶瓷材料具有范围极为宽广的电气特性:金属是导体,塑胶不导电是一般人耳熟能详的,但是陶瓷却具有极为宽广的电气特性,从一般的绝缘体,到半导体,导体、甚至超导体,都有不同的陶瓷具备此功能,且发展完整。地表上蕴藏量最多的元素,除了氧之外就是矽和铝,而这两种元素均为陶瓷化合物中的重要成分。因此陶瓷的原料来源可说是取之不尽用之不竭,对工业的大量生产上占一大优势。

电性方面部份电子陶瓷具有压电性,焦电性,铁电性等特殊性质,所谓压电性是在材料上加压后,产生电流的效应,反之亦然,焦电性则是加温后产生电流,具有铁电性会在移去电场后,存在自发的极化量,这些特殊的物性使得电子陶瓷得以制作许多特殊用途的元件。

陶瓷不但可以透光,而且具有许多意想不到的特性,如光的倍频效应,可以将入射光的频率加倍,也可利用III-V族化合物制造雷射。陶瓷具有相当优良的环境稳定性,比如抗酸抗硷,耐高温低温,耐磨耐压,因此可以应用在相当严苛的条件之下,扩大了应用的范围。

3.电子陶瓷材料的分类

电子陶瓷按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、高频高介陶瓷、铁电和反铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相(无玻璃相陶瓷属于固相烧结,有玻璃相陶瓷属于波相烧结)。电子陶瓷按功能和用途可以分为五类:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。

氧化锆电器陶瓷件具有高强度、高硬度,耐磨损、耐腐蚀性好等特性,广泛用于建筑卫生陶瓷、非金属矿、耐火材料、水泥、钢铁、化工、涂料、造纸、热电厂精密陶瓷、压电元件、电子陶瓷、光学透镜、光学玻璃、玻璃添加剂、电溶锆砖、陶瓷颜料、瓷釉、传感器、人造宝石、耐火材料、研磨抛光等行业和产品。

氧化锆电器陶瓷件呈白色,含杂质时呈或灰色,一般含有HfO2,不易分离。在常压下纯ZrO2共有三种晶态。氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体,氧化锆超细粉末的制备方法很多,氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。

氧化锆电器陶瓷件其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用。氧化锆电器陶瓷件具有敏感的电性能参数,主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料电池和高温发热体等领域。另外,氧化锆在热障涂层、保健、耐火材料等领域正得到广泛应用。

氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷,它除了具有精密陶瓷应有高强度、硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀及高化学稳定性等条件,还具备较一般陶瓷高的坚韧性。目前氧化锆陶瓷运用在各个工业,像是轴封轴承、切削组件、模具、汽车零件等,甚至可用于人体。而消费电子领域,氧化锆陶瓷因其硬度接近蓝宝石,但总成本不到蓝宝石的1/4,其抗折率高于玻璃和蓝宝石,非导电,不会屏蔽信号,因此受到指纹识别模组贴片及手机背板的青睐。氧化锆陶瓷进入手机为代表的消费电子,一共有三个细分方向。最主要的应用领域是后盖,这里主要是对塑料、玻璃、金属材料的升级和补充。其次是用于指纹识别的贴片或可穿戴设备的外壳,主要受益于指纹识别器装机率的提升和对蓝宝石的替代。最后是用于锁屏和音量键等小型结构件,这是对功能机时代就有的陶瓷按键业务的延续。

氧化铝电气陶瓷件有着优良的机械强度,耐高温,耐磨损,耐腐蚀 具有长寿命长,节能,环保,安全,可控性等特点。氧化铝电气陶瓷件介电常数低、介质损耗小、绝缘强度高、体积电阻率高、抗弯强度好、稳定性高、耐压强度高、冷热击变性好。广泛用于各种小家电的温控器、绝缘部件、各种热工设备、电热电器设备、铁构造建筑物、船舶建造等。

在结构陶瓷方面,由于氧化铝陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢等优点,因此被广泛应用于结构陶瓷领域。氧化铝陶瓷零件介电常数低、介质损耗小、绝缘强度高、体积电阻率高、抗弯强度好、稳定性高、耐压强度高、冷热击变性好。广泛用于各种小家电的温控器、绝缘部件、各种热工设备、电热电器设备、铁构造建筑物、船舶建造等。氧化铝陶瓷零件的硬度大,耐磨性能极好,耐腐蚀耐高温,自润滑性好,不易结垢。氧化铝陶瓷配件硬度高、强度高、膨胀系数低、并且绝缘、耐磨、耐腐蚀。

氧化铝电气陶瓷件的优点:硬度高、强度高、膨胀系数低、并且绝缘、耐磨、耐腐蚀,在机械制造、航空航天、精密仪表、石油化工、新型光源、纺织机械、电器、制冷设备、电热仪表、仪器、化工、通讯,通信等行业。氧化铝电气陶瓷件的缺点:一般弹性模量相当大、硬度高、脆性大,裂纹敏感性强,因此,其机械加工难度主要表现在加工硬度和加工脆性上。

陶瓷半导体是一仲新型的、用途日益广泛的制作电子元件的材料, 在陶瓷中半导体是很多的。电阻随温度而变化的性质,可用于非线性电阻。负温度系数非线性电阻(NTC非线性电阻)随温度上升而电阻降低,具有一般的半导体特性。铁系金属的氧化物陶瓷,因为具有化学的和热的稳定性,所以可用于非线性电阻,在很宽的范围控制温度。与此相反,称为正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)的元件,用的是半导体化的BaTiO3陶瓷。这种陶瓷因为在相变温度下电阻急剧增大,如果作为电阻加热元件而应用,则可在相变温度附近自动控温,是很方便的。使ZnO烧结体的晶界或粒子之间浸渗低熔点、高电阻的Bi2O3物质,在达到称为非线性电阻电压的一定电压时,是高电阻;在线性电阻电压以上时,变为低电阻的非线性电阻。非线性电阻可应用于电路保护元件和避雷器元件。

压敏陶瓷指伏安特性为非线性的陶瓷。如碳化硅、氧化锌系陶瓷。它们的电阻率相对于电压是可变的,在某一临界电压下电阻值很高,超过这一临界电压则电阻急剧降低。典型产品是氧化锌压敏陶瓷,主要用于浪涌吸收、高压稳压、电压电流限制和过电压保护等方面。

热敏陶瓷又称热敏电阻陶瓷,指电导率随温度呈明显变化的陶瓷。热敏陶瓷主要用于温度补偿、温度测量、温度控制、火灾探测、过热保护和彩色电视机消磁等方面。

光敏陶瓷指具有光电导或光生伏特效应的陶瓷。如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化铟、锗酸铋等陶瓷或单晶。当光照射到它的表面时电导增加。主要用作自动控制的光开关和太阳能电池等;气敏陶瓷指电导率随着所接触气体分子的种类不同而变化的陶瓷。如氧化锌、氧化锡、氧化铁、五氧化二钒、氧化锆、氧化镍和氧化钴等系统的陶瓷。主要用于对不同气体进行检漏、防灾报警及测量等方面;湿敏陶瓷指电导率随湿度呈明显变化的陶瓷。如四氧化三铁、氧化钛、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛及氧化锌-氧化锂-氧化钒等系统的陶瓷。它们的电导率对水特别敏感,适宜用作湿度的测量和控制。近来,控制系统已经愈益系统化,需要能够检测两种或几种物理和化学参数,并给出互不干扰电信号的多功能敏感元件。适应这种需要的湿度-气体敏感陶瓷和温度-湿度敏感陶瓷等多功能敏感陶瓷正在研制中。

4.电子陶瓷的成型工艺

电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料,主要包括铁电、压电、介电、半导体、超导和磁性陶瓷等。电子陶瓷在信息的检测、转化、处理和存储显示中应用广泛,是信息技术中基础元器件的关键材料。随着近年来材料技术的不断进步,电子器件的小型化程度越来越高,其中通过将陶瓷流延片叠层热压的方法实现具有特殊性能的多层复合材料--多层陶瓷技术,在电容器、压电马达、高温燃料电池、电感、陶瓷基板等领域应用越来越广泛。

电子陶瓷是最近几十年才兴起的一门技术,其关键的制作流程在于电子陶瓷成型工艺,现在已有的成型方法多种多样,各有千秋。多层陶瓷技术的关键工艺是流延成型,它是薄片陶瓷材料的一种重要成型方法,现在流延成型已成为生产片式多层陶瓷器件和多层陶瓷基片的支柱技术,同时也是生产电子元件的必要技术,为电子设备、电子元件的微型化以及超大规模集成电路的实现提供了技术支持,在日益发展的电子陶瓷行业中占很重要的地位。

陶瓷成型工艺中经常应用的方法如干压法、浇注法、挤压法、热压铸法等。但随着电真空工业的发展,对陶瓷的要求日益增高,提出了薄壁、高真空、高致密度、高强度等要求。

一般陶瓷工艺的主要流程:原料准备—坯体成型—烧结—瓷件加工,而成型是陶瓷制作过程中的关键流程,对于不同的陶瓷和厂家的不同需求有着不同的成型方法。在原料配制中,用粉碎、混合等机械方法和结合剂、分散剂配合,达到分散,尽可能不含有凝聚粒子。结合剂受到种类及其分子量,粒子表面的性质和溶剂的溶解性等影响,吸附在原料粒子表面上,通过立体稳定化效果,起到防止粉末原料凝聚的作用。在成形工序中,结合剂给原料以可塑性,具有保水功能,提高成形体强度和施工作业性。一般来说,结合剂由于妨碍陶瓷的烧结,应在脱脂工序通过加热使其分解挥发掉。因此,要选用能够易于飞散除去以及不含有害无机盐和金属离子的有机材料,才能确保产品质量。

电子电器陶瓷的工艺是使用热固性塑料(如硅树脂)作为粘合剂,并按一定比例添加陶瓷粉,然后通过注模机或浇铸法混合形成。然后,在高温下烧结以形成产物。电子电器陶瓷片根据原料性质的差异以及产品性能,形状和尺寸的差异,可以选择不同的胶粘剂和成型方法,制成表面光滑,孔隙率低的电子电器陶瓷和结构陶瓷产品。

电子电器陶瓷主要用于制造电路基板,线圈骨架,管座,高压绝缘瓷,火箭前锥等。它也可以制成高孔隙率的铸造型芯,用于铸造合金。它也可以用作具有良好耐冲击性的高温材料。电子电器陶瓷成型工艺:等静压是一种在传统干压的基础上发展起来的特殊成型方法。它使用流体传输压力将来自各个方向均的压力施加到弹性模具中的粉末上。由于流体内部压力的一致性,粉末在各个方向上的压力是相同的,从而可以避免体内密度的差异。

注射成型应用于塑料制品的成型和金属模具的成型。该方法利用热塑性有机化合物的低温固化或热固性有机材料的高温固化,然后将粉末和有机载体在专用混合设备中混合,然后在高压(数十至数百MPa)下注入模具中。由于成型压力大,所得到的毛坯尺寸精确,光洁度高,结构紧凑。使用特殊的成型设备大大提高了生产效率。

陶瓷注射成型技术与优点:成型过程机械化和自动化程度高;可近净成形各种复杂形状的陶瓷零部件,使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工,从而减少昂贵的陶瓷加工成本;成型的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。注射成型工艺应用于陶瓷零件的成型,通过添加大量有机物实现了惰性材料的塑料成型,这在陶瓷塑料成型工艺中很常见。注射成型工艺具有自动化程度高和所形成的坯料尺寸精确的优点。对于尺寸精度高、形状复杂的氧化铝陶瓷制品,相比传统成型工艺较高的机械加工成本,注射成型有着特殊的技术工艺优势。陶瓷注射成型作为一种近净成形技术,产品尺寸精确可控,机械程度高,易于实现大批量生产,无需或只需少量的机械加工,这些都大大降低了陶瓷的生产成本。

5.电子陶瓷材料的应用实例

由于电子陶瓷具有其独特且优异的特性,因此在电子工业上被大量的如下应用。

绝缘陶瓷是电子陶瓷最早发展的一支,在电路中作为绝缘之用。例如高压电塔上的绝缘碍子,在微电子系统中,主要是用来作为积体电路的基版的用途上,氧化铝是最常用的材料,由于具有比高分子更高的热传系数及更强的机械强度,在IC基版中占有重要地位。

介电陶瓷是电子陶瓷中产量最大的一支,主要用在制作电容器,传统的电容器包括了温度补偿型,高K型与半导型。由于目前电子元件追求小型化,因此将多层的电容做积层的串连,成为积层电容器,大量的以SMT(表面黏着技术)使用在印刷电路版上。而利用陶瓷介电性制成的高频共振元件,则运用在大哥大电话,卫星通讯等高频通讯的领域,在讲究个人通讯的今日,有无穷的潜力。介电陶瓷中的铁电陶瓷具有极高的介电系数与自发性极化,利用其高介电性,可以应用在高容量DRAM(动态随机记忆体)的制造中。例如1996年日本三菱公司发表以BST为基础的4Gb容量DRAM,具有极高的商业潜力,利用自发性极化,可以作为非挥发性记忆体,未来可能取代硬碟,成为大容量IC记忆体的新宠儿。

压电陶瓷由于具有机电转换的特性,利用它所制成的产品种类相当多,如瓦斯炉的点火器,扬声器,超音波震荡器,驱动器,超音波马达,都是运用机械能与电能的互换特性所制成。此外还可制成压电变压器与滤波器,应用相当广泛,主要应用的是PZT,PMN-PT等材料。压电陶瓷的出现和发展给技术进步、新产业的形成,以及我国的经济和社会的发展带来重大影响。压电陶瓷产品全球年销售量正在按15%左右的速度递增。

磁性陶瓷又称为铁氧体,磁性陶瓷主要是指铁氧体陶瓷,铁氧体是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。这类材料是指具有铁离子、氧离子及其他金属离子所组成的复合氧化物磁性材料,存在少数不含铁的磁性氧化物。铁氧体多属半导体,电阻率远大于一般金属磁性材料,具有涡流损失小的优点。在高频和微波技术领域,如雷达、通信、空间技术、电子计算机等方面都到了广泛的应用根据应用划分,这类材料可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等。软磁陶瓷材料是目前品种最多,应用最广泛的一种磁性陶瓷,其特点是起始磁导率高,容易磁化也容易退磁一类磁性材料。磁性陶瓷有磁性的物质很多,但由于陶瓷所具有的磁性强度是别的材料所难以比拟的,因此大量的被用在制作电感或变压器的磁蕊,磁性记忆材料(如软硬碟或磁带上的涂膜),各种微波元件,与扬声器、马达等等。

电光陶瓷是具有电光效应的陶瓷材料的总称。常用的有锆钛酸铅镧(PLZT),铪钛酸铅镧(PLHT)等。这类陶瓷多数为透明铁电体,在相变过程中其折射率随电场而变化,即产生电控双折射效应。主要用于光调制器、光存储器,光-电传感器、光谱滤波器、光开关、电激励多色显示器、光阀和记忆元件等。陶瓷材料具有良好的耐热性能、高的硬度、优异的耐化学侵蚀能力以及各种有关的物理性能,令其在各个领域得到广泛应用。透明陶瓷材料除了本身具有宽范围的透光性外,而且还具有高热导性、低电导率、低介电常数和介电损耗、高强度、高硬度、耐摩擦等一系列优异的综合性能。由于透明陶瓷具有优异的性能,中外多国家对透明陶瓷做了大量的研究工作,使其飞速发展起来。

半导体陶瓷具有半导体特性的陶瓷。半导体陶瓷的电导率因外界条件(温度、光照、电场、气氛和温度等)的变化而发生显著的变化,因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号,制成各种用途的敏感元件。半导体陶瓷的电导率因外界条件(温度、光照、电场、气氛和温度等)的变化而发生显著的变化,因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号,制成各种用途的敏感元件。虽然一般的陶瓷是绝缘体,但是经过适当的处理,也可以具有半导的性质,具有半导性的陶瓷可以有许多的用途,例如氧化锌与数种适当的添加物可以制成变阻器,由于它具有吸收突波的特性,可以用来保护电子元件,防止突波的破坏。有些半导性陶瓷的导电性因温度的不同变化很大,可以用来量测温度,以PTC(正温度系数)陶瓷做加热器具有自动控温的特能,如近来常见的陶瓷暖炉,就是一例。此外半导性陶瓷还可以做湿度或气体感测器,具有元件简单,但灵敏度高的特性。

超导现象是指在某一临界温度下物体电阻为零的现象。利用超导现象可以用来作为电力输送与超导磁铁之用,虽然许多物质在接近0K的温度都具有超导性,但陶瓷超导体的临界温度极高,在液态氮冷却的情况下就可以呈现超导现象,大幅降低冷却成本,是最具明星像的超导材料。超导陶瓷是一类在临界温度时电阻为零的陶瓷,它对今后信息革命、能源利用以及交通起重要作用。1986 年IBM 公司报道发现了Ba-La-Cu-O钙钛矿结构的复合氧化物具有高温超导性后,超导材料的研究就成为材料和化学界研究的重点之一,并且发现制备出一系列的高温超导陶瓷材料。在电力系统方面,可以用于输配电。由于电阻为零,所以完全没有能量损耗,而这种能量损耗现在通常达到20%。可以制造超导线圈,由于可形成永久电流,所以可以长期无损耗地贮存能量。在交通运输方面,可以制造磁悬浮高速列车。可以制成电磁推进装置用于船舶和空间飞行器的推进。磁悬浮高速列车是利用列车内超导磁体产生的磁场和电流之间的交互作用产生向上的浮力,列车高速而无噪声。目前我国上海、成都、大连都已建成磁悬浮列车,表明我国在超导磁悬浮的研究应用方面处于世界先进行列。

6.电子陶瓷的应用发展前景趋势

当下,随着移动通信和卫星通信的迅速发展,对器件小型化、微型化的要求越来越迫切,而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件,是实现整机小型化、微型化的主要瓶颈。因此,小型化、微型化是目前元器件研究开发的一个重要目标,市场需求也非常旺盛。电子陶瓷表现出强劲的增长态势。从技术方面看,正向着微型化、介质薄层化、大容量、高可靠和电极贱金属化低成本的方向发展。功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展,如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。这些片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无源元器件的主要市场。从材料角度而言,实现小型化、微型化的基础在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺,因此,发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。

电子陶瓷产业链基本好、当地人力资源管理丰富多彩的优点,以省部级特点产业园的基本建设为突破口,正确引导电子陶瓷产业链进一步开展群集发展趋势,健全产业链配套设施,理清全产业链上中下游关联。把握住电子陶瓷新型材料要求扩大、产业转移加速的机遇,大力培育市场主体,扩大企业规模,增加企业总量,提高企业质量,增强市场竞争力。

电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有很大发展。随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展,压电陶瓷器件也在向片式化、多层化和微型化方向发展。近年来,包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波(SAM)器件、薄膜体声波滤波器等一些新型压电陶瓷器件不断被研制出来,并广泛应用于微机电系统和信息领域。因此,目前电陶瓷朝四个方向发展:为小型化与微型化;高频化与频率系列化;集成化与模块化;无铅化与环境协调性。

具有更薄更小尺寸的片式压电陶瓷频率元器件;频率更高的压电陶瓷谐振器;具有更高频率精度,更优异频率稳定性,可靠性更高的压电陶瓷频率元器件;具有优异的耐热性,能适用无铅回流焊需要的片式陶瓷频率元器件;不含或少含有毒、有害元素的片式压电陶瓷频率元器件的应用会受到关注。压电陶瓷换能器产生的超声波处理废水及有毒水。具有径向尺寸小、输出力矩大、可控性强等特点的超声电机;防盗、测高、汽车防撞、遥控开关和机器人测距离等超声传感器;伺服位移制动器、光学应变镜、应变光栅、超精密导向机构、切磨误差补偿制动器、油压伺服阀等应特别关注。

在高温高性能压电陶瓷材料方面,随着钢铁、化工、能源、航空航天的发展,需要高精度驱动器、探测换能器和传感器等压电器件在高温恶劣环境中工作。航空器引擎的振动控制、载液态金属管道的无损探伤、钢铁和化工工业、热网、电网以及核电工业的高温流量探测和控制、焊接管道的无损探伤、高精度传感驱动器件等领域,对压电材料的高温应用都提出了迫切要求。在无铅压电陶瓷材料方面,以机电能量转换为其特征的压电陶瓷材料,目前大规模使用的是铅基压电陶瓷。这些含铅压电陶瓷材料在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境带来严重危害。为了保护地球和人类的生存空间,防止环境污染,研究和开发实用化的无铅压电陶瓷材料是一项具有重大社会和经济意义的课题。具有更薄更小尺寸的片式压电陶瓷频率元器件;频率更高的压电陶瓷谐振器;具有更高频率精度,更优异频率稳定性,可靠性更高的压电陶瓷频率元器件;具有优异的耐热性,能适用无铅回流焊需要的片式陶瓷频率元器件;不含或少含有毒、有害元素的片式压电陶瓷频率元器件的应用受到关注。

另外,利用压电陶瓷换能器产生的超声波处理废水及有毒水。具有径向尺寸小、输出力矩大、可控性强等特点的超声电机;防盗、测高、汽车防撞、遥控开关和机器人测距离等超声传感器;伺服位移制动器、光学应变镜、应变光栅、超精密导向机构、切磨误差补偿制动器、油压伺服阀等应特别关注。

目前,我国电子陶瓷生产企业正努力缩短与国外的差距,加快企业的创新和获得具有自主知识产权的步伐,成为高新技术产品的研究和生产型企业,努力提高企业的市场的竞争力和经济效益。特别是在碳化硅陶瓷材料的应用,超导陶瓷、陶瓷薄膜材料、陶瓷基复合材料、纳米及功能纳米复合材料、雷达吸波材料在飞行隐身技术中的研究和应用等不断取得新的成果,现代陶瓷材料正为我国高新技术的高速发展不断做出更大的贡献。

7.结束语

总之,我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。近些年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有了很大发展,在奇妙的陶瓷材料世界里还有许多未知的现象有待于人们去探究,相信随着科学技术的进一步发展,人类也必然会发掘出功能陶瓷材料的新功能,并将其派上新用场。

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