“電子陶瓷”科研道路上的尖兵

于曉杰

打開手機(jī)外殼，你就會看到許多精小的貼裝電子元器件，其實(shí)這才是手機(jī)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(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的功能陶瓷，通過對晶粒、晶界和尺寸結(jié)構(gòu)的精密控制，獲得了能夠利用電、磁等性質(zhì)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(yīng)用。

“其實(shí)不但是民用產(chǎn)品，在軍用產(chǎn)品中，電子陶瓷的使用也很多。我們現(xiàn)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(shí)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(fā)電之門

“我本科和碩士階段學(xué)習(xí)的是化學(xué)專業(yè)，后來考進(jìn)西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系攻讀博士。”當(dāng)時(shí)國家非常重視電子陶瓷行業(yè)的發(fā)展，而侯育冬的導(dǎo)師田長生教授恰好就在上世紀(jì)90年代轉(zhuǎn)入這方面的研究。在他的引領(lǐng)下，侯育冬入了門。“我很感謝我的博士導(dǎo)師，是他帶我發(fā)現(xiàn)了電子陶瓷的魅力，讓我愛上了這個(gè)研究領(lǐng)域。同時(shí)，我的老師還很重視研產(chǎn)結(jié)合，這對我的影響很大?！?/p>

2003年，侯育冬來到北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院工作，利用自身學(xué)術(shù)背景，著手組建先進(jìn)電子陶瓷材料與器件研究室。經(jīng)過十余年的發(fā)展，在國家和北京市政府的大力支持下，研究室建設(shè)取得了長足的進(jìn)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(jīng)主持了數(shù)十項(xiàng)國家和北京市各類科研項(xiàng)目，其中壓電陶瓷的研究是一大亮點(diǎn)。

當(dāng)今世界化石能源日益短缺，尋找和發(fā)展可持續(xù)性的新型能源，并進(jìn)行高效采集成為各國政府所面臨的緊迫任務(wù)之一?！皺C(jī)械振動能在環(huán)境中普遍存在，例如機(jī)器的噪聲、人在地板上的行走、汽車的行駛等日?，F(xiàn)象，其實(shí)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(huán)境中的振動能，經(jīng)處理后可實(shí)現(xiàn)供電的目標(biāo)。

可新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)并不容易。壓電陶瓷一般為高阻電介質(zhì)，利用其轉(zhuǎn)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(shí)間以來利用其發(fā)電并未引起人們關(guān)注，但是隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展掀起新一輪工業(yè)技術(shù)革新，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)了。侯育冬告訴記者：“與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的低功耗微電子器件設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)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(shù)供電成為可能?！?/p>

在我國，與光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和熱電發(fā)電等新能源技術(shù)相比，壓電發(fā)電的關(guān)注度低，研究極為薄弱。為了提升我國在壓電發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)水準(zhǔn)，侯育冬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞高換能系數(shù)壓電陶瓷開展一系列創(chuàng)新研究。他通過歸納總結(jié)壓電陶瓷材料性能調(diào)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(jī)電轉(zhuǎn)換性能；討論具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能壓電陶瓷材料設(shè)計(jì)方法等工作，指出了能量收集用壓電陶瓷材料研究發(fā)展中的主要問題，并為進(jìn)一步開展研究提供了新思路！

“在材料設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有的用壓電陶瓷進(jìn)行能量收集的研究，主要通過大范圍的組分調(diào)控獲得機(jī)電轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異的材料體系，但由于缺乏普適的預(yù)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(rèn)為在未來的研究中，可采用化學(xué)法制備納米尺寸的前驅(qū)陶瓷粉體，結(jié)合熱壓燒結(jié)或是放電等離子燒結(jié)等特種燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸梯度化精確調(diào)控，在提升材料力學(xué)性能的同時(shí)，基于“尺寸效應(yīng)”遷移準(zhǔn)同型相界位置，從而獲得力電性能均衡的能量收集細(xì)晶陶瓷材料。同時(shí)，他還指出將不同介電與壓電活性的組元進(jìn)行拼接組合，設(shè)計(jì)復(fù)相結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)用短時(shí)間內(nèi)無法替代，但性能尚需進(jìn)一步優(yōu)化。而民用領(lǐng)域，特別是家用和醫(yī)療領(lǐng)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(jī)電轉(zhuǎn)換性能較低，退極化嚴(yán)重，機(jī)械力學(xué)性能尚不明確，還需要進(jìn)一步研究。”

壓鐵電陶瓷的設(shè)計(jì)，微結(jié)構(gòu)控制與力電行為物理機(jī)制研究，是侯育冬的另一個(gè)貢獻(xiàn)點(diǎn)。他發(fā)現(xiàn)了金紅石與鈣鈦礦類先兆性鐵電體中極性納米簇的誘導(dǎo)生成機(jī)制、動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，并對寬頻介電弛豫譜進(jìn)行了解析研究；對多組元細(xì)晶壓電陶瓷體系晶粒進(jìn)行了多尺度生長調(diào)控，總結(jié)了晶界與相結(jié)構(gòu)演化及相關(guān)力學(xué)與電學(xué)行為變化規(guī)律；研究了復(fù)雜體系壓電陶瓷過渡系摻雜元素的價(jià)態(tài)分布與缺陷結(jié)構(gòu)演變，提出新穎的等價(jià)摻雜誘導(dǎo)第二相生成機(jī)制，并明確了液相燒結(jié)行為及電學(xué)參數(shù)定向調(diào)控的關(guān)聯(lián)性。此外，侯育冬利用其深厚的化學(xué)功底，發(fā)展了熔鹽拓?fù)浠瘜W(xué)、膠體水熱化學(xué)和水基溶膠凝膠化學(xué)等新方法成功構(gòu)建出十余種不同尺度與取向結(jié)構(gòu)的壓鐵電納米材料，有力推動了納米電子陶瓷器件的應(yīng)用化研究?！斑@就是學(xué)科交叉的優(yōu)勢，因?yàn)槲矣谢瘜W(xué)、電子學(xué)和材料物理等多個(gè)學(xué)科的科研背景。”侯育冬說。苦心鉆研帶來的收獲是一百余篇高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文，這些發(fā)表在Acta Mater、J AmCeram Soc和Appl Phys Lett等頂尖學(xué)術(shù)期刊上的科研成果大大提升了我國在相關(guān)壓鐵電材料研究領(lǐng)域的國際影響力。研產(chǎn)結(jié)合者

在侯育冬的心中，理論研究很重要，實(shí)際應(yīng)用亦是關(guān)鍵，把這兩者有效地融合起來，是他一直在追求的目標(biāo)?！澳壳?，中國的科研還存在一個(gè)問題，就是學(xué)術(shù)研究與成果的實(shí)際應(yīng)用之間還是有割裂的，在科研成果應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化上，我們與國外有不小的距離?！焙钣J(rèn)為，做科研可以多嘗試與企業(yè)合作，“這會使你更重視實(shí)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(lǐng)課題組深入開展了電子陶瓷材料性能調(diào)控與器件應(yīng)用的關(guān)聯(lián)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(wěn)定壓電陶瓷濾波器等，并以第一發(fā)明人獲授權(quán)十余項(xiàng)國家發(fā)明專利。

侯育冬坦言，將成果應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)并不容易，“這個(gè)過程實(shí)際上需要花費(fèi)非常大的精力，一方面需要做調(diào)研；另一方面還要派人到企業(yè)工作，開銷會增加不少，但是為了得到理想的結(jié)果，這么做還是值得的?！?/p>

“現(xiàn)在，我們重點(diǎn)關(guān)注新能源領(lǐng)域壓電能量收集器研究?！痹诒本┕I(yè)大學(xué)國際交流項(xiàng)目的支持下，侯育冬團(tuán)隊(duì)與歐洲丹麥的高校和企業(yè)聯(lián)合開展“中丹高性能壓電能量收集器技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(shè)”。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，侯育冬課題組已經(jīng)設(shè)計(jì)并組裝可用于評價(jià)懸臂梁和疊堆模式壓電能量收集器發(fā)電特性的動態(tài)測試樣機(jī)，該項(xiàng)成果可為制備高換能系數(shù)能量收集材料的器件化測試提供有力支撐，他也期望能夠?qū)⑵浔M快應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中。

以己度人，侯育冬熱心于將科研路上的經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生，希望他們也成長為熱愛科研專業(yè)，具有產(chǎn)業(yè)視野的復(fù)合型人才。對于學(xué)生的課題研究，侯育冬只抓大方向，給學(xué)生們一個(gè)較寬松的平臺，這么做是因?yàn)樗肱囵B(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，而不想讓其變成一個(gè)實(shí)驗(yàn)“操作工”。但他的“寬松”是以“計(jì)劃”為前提的，他每個(gè)學(xué)期都會給學(xué)生制定學(xué)習(xí)與工作計(jì)劃，要求學(xué)生每個(gè)月完成一些任務(wù)，以督促他們進(jìn)步。同時(shí)，侯育冬還鼓勵(lì)學(xué)生去參加國際相關(guān)會議和企業(yè)實(shí)踐，從而讓他們開闊視野并提升實(shí)踐能力。

作為北京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地——“先進(jìn)電子陶瓷材料與器件”基地負(fù)責(zé)人，他將學(xué)生培養(yǎng)與基地建設(shè)融在一處。通過北京高等學(xué)校高水平人才交叉培養(yǎng)“實(shí)培計(jì)劃”項(xiàng)目——“耐高溫大容量多層陶瓷電容器瓷料的設(shè)計(jì)與合成”，侯育冬課題組與國內(nèi)最大的軍工陶瓷電容器生產(chǎn)商——北京元六鴻遠(yuǎn)電子技術(shù)有限公司合作組建“電子陶瓷材料”企業(yè)校外實(shí)訓(xùn)基地，他把學(xué)生真正推到科研與產(chǎn)業(yè)一線上去。

這些作為，為他贏得了學(xué)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(bào)的教學(xué)成果“電子陶瓷材料專業(yè)人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實(shí)踐”獲得北京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教育教學(xué)成果獎。而且，他還曾先后獲得北京工業(yè)大學(xué)教學(xué)優(yōu)秀獎、學(xué)業(yè)輔導(dǎo)工作實(shí)效獎和北京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教師獎。培養(yǎng)的學(xué)生中也先后有數(shù)十人獲得國家獎學(xué)金、校長獎學(xué)金、三星獎學(xué)金、科技之星、優(yōu)秀博士學(xué)位論文、優(yōu)秀碩士學(xué)位論文和北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù)。

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(gè)更高的水平，在壓電陶瓷這塊我希望我們能做到國內(nèi)頂尖。”另外在電子陶瓷產(chǎn)業(yè)化方面，他將繼續(xù)加深與企業(yè)之間的合作，希望日后能夠填補(bǔ)國內(nèi)該領(lǐng)域高端產(chǎn)品制造的空白，“這將涉及到我國軍事航天領(lǐng)域的發(fā)展，我們必須要自己掌握相關(guān)的核心技術(shù)。”侯育冬說。