淺談電子陶瓷發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

王小芳

摘 要：本文較系統(tǒng)地介紹了電子陶瓷材料的發(fā)展與現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了當(dāng)前電子陶瓷的研究熱點和發(fā)展前景。

關(guān)健詞：電子陶瓷；材料；發(fā)展前景

1 引言

電子陶瓷是廣泛應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域中的具有獨特的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)的一類新型陶瓷材料，它是光電子工業(yè)、微電子及電子工業(yè)制備中的基礎(chǔ)元件，是國際上競爭激烈的高技術(shù)新材料。

電子陶瓷可分為絕緣陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、光學(xué)陶瓷和磁性陶瓷四大類。隨著現(xiàn)代通訊、光電子、微電子、生物工程、智能制造和核技術(shù)等高科技的快速發(fā)展，對電子陶瓷元器件的要求也愈來愈高，高性能復(fù)合型電子陶瓷材料的研究越發(fā)引起了世界工業(yè)先進(jìn)國家的重視。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展對電子陶瓷材料提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也為這一領(lǐng)域的研究和發(fā)展創(chuàng)造了新的機會。在市場信息的引導(dǎo)下，傳統(tǒng)電子陶瓷材料的改性研究和新型電子陶瓷材料的研發(fā)使用受到重視，日益顯示出廣闊的市場前景和強大的經(jīng)濟效益。

2 電子陶瓷發(fā)展動向

從20世紀(jì)初期開始，電子陶瓷材料的發(fā)展過程經(jīng)歷了由介電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、快離子導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷到高性能復(fù)合型電子陶瓷的一個轉(zhuǎn)變。近年來，隨著厚膜、薄膜技術(shù)以及高純超微粉體技術(shù)的研究突破以及探索信息技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，人們在電子陶瓷材料與器件的一體化研究與應(yīng)用、傳統(tǒng)材料的改性等方面都開展了廣泛深入的研究，電子陶瓷已成為當(dāng)前材料研究者關(guān)注的熱點。

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子陶瓷材料由傳統(tǒng)的消費類電子產(chǎn)品向數(shù)字化的信息產(chǎn)品比如計算機、數(shù)字化音視頻設(shè)備和通信設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。為了滿足數(shù)字技術(shù)對陶瓷元器件提出的一些特殊要求，世界各國的研究機構(gòu)及大學(xué)都在功能陶瓷新材料、新產(chǎn)品、新工藝方面投入大量資金進(jìn)行研究開發(fā)。其中新型電子陶瓷元器件及相關(guān)材料的發(fā)展趨勢和方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 技術(shù)集成化

在原有工藝的基礎(chǔ)上，電子陶瓷材料制備技術(shù)的開發(fā)也結(jié)合了現(xiàn)代新型工藝的復(fù)合工藝。其中，多種技術(shù)的集成化是電子陶瓷材料制備技術(shù)的新發(fā)展趨勢，比如納米陶瓷制備技術(shù)及納米級陶瓷原料、快速成形及燒結(jié)技術(shù)、濕化學(xué)合成技術(shù)等都為開發(fā)高性能電子陶瓷材料打下了基礎(chǔ)。隨著多功能化、高集成化、全數(shù)字化和低成本方向發(fā)展，很大程度上推動了電子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件組合化的發(fā)展進(jìn)程。

2.2 功能復(fù)合化

在激烈的信息市場的競爭中，單一性能的電子陶瓷器件逐漸失去了競爭力，利用陶瓷、半導(dǎo)體及金屬結(jié)合起來的復(fù)合電子陶瓷是開發(fā)各種電子元器件的基礎(chǔ)，它是發(fā)展智能材料和機敏材料的有效途徑，同時也為器件與材料的一體化提供重要的技術(shù)支持。

2.3 結(jié)構(gòu)微型化

目前，電子陶瓷材料與微觀領(lǐng)域的聯(lián)系不斷深入，其研究范圍也正在延伸?；陔娮犹沾傻奈⑿突透咝阅苷诓粩喑霈F(xiàn)，比如在微型化技術(shù)和陶瓷的薄膜化的聯(lián)合運用以生產(chǎn)用于信息控制的高效微裝置，電子陶瓷機構(gòu)和裝置尺寸減小的趨勢是得益于微型化技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的。目前元器件研究開發(fā)的一個重要目標(biāo)是微型化、小型化，其市場需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占據(jù)了當(dāng)前電子陶瓷無元器件的主要市場；比如片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻、多層壓電陶瓷變壓器等。要實現(xiàn)小型化、微型化的話，從材料角度而言，在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米技術(shù)和相關(guān)工藝，所以發(fā)展高性能功能陶瓷材料及其先進(jìn)制備技術(shù)是功能陶瓷的重要研究課題。

2.4環(huán)保無害化

近年來，隨著人類社會的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的需求，發(fā)達(dá)國家致力研發(fā)的熱點材料之一就是新型環(huán)境友好的電子陶瓷。作為重要的功能材料，被廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)和信息領(lǐng)域的新型壓電陶瓷，比如多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū)動器、片式化壓電頻率器件、聲表面波（SAM）器件、薄膜體聲波濾波器等器件也不斷被研制出來。

3 電子陶瓷應(yīng)用前景

3.1電絕緣陶瓷的應(yīng)用前景

電絕緣陶瓷因具備導(dǎo)熱性良好、電導(dǎo)率低、介電常數(shù)小、介電損耗低、機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，被廣泛應(yīng)用于金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、集成電路基板、電解槽襯里、金屬基復(fù)合材料增強體、主動裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發(fā)熱件中。

在電子、電力工業(yè)中，絕緣陶瓷比如電力設(shè)備的絕緣子、絕緣襯套、電阻基體、線圈框架、電子管功率管的管座及集成電路基片等主要是用于電器件的安裝、保護(hù)、支撐、絕緣、連接和隔離。

由于陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應(yīng)盡量避免堿金屬氧化物的存在，而且玻璃相應(yīng)盡量是硼玻璃、鋁硅玻璃或硅玻璃。一般來說，陶瓷內(nèi)部氣孔對絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應(yīng)選擇無吸水性，氣孔少的致密材料。

3.2介電陶瓷的應(yīng)用前景

介電陶瓷因具有高強度、介電損耗低、耐熱性、穩(wěn)定性等特點，目前被廣泛應(yīng)用于集成電路基板的制造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化硅等可普遍作為集成電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因制造工藝復(fù)雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的導(dǎo)熱性雖然優(yōu)于氧化鋁，且通過熱壓方法制成的高性能基板，在200℃左右時其性能仍能滿足實用要求，但由于熱壓燒結(jié)工藝復(fù)雜及添加劑有毒，也限制了它的發(fā)展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當(dāng)，但其熱傳導(dǎo)率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規(guī)模集成電路的下一代優(yōu)質(zhì)基板材料。

3.3壓電陶瓷的應(yīng)用前景

自1942年，鈦酸鋇作為第一個陶瓷型壓電材料誕生以來，壓電陶瓷的應(yīng)用產(chǎn)品已遍及大眾生活的諸多方面。比如壓電打火機、煤氣灶打火、炮彈引爆裝置等就是利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換為電能的特性制造。壓電陶瓷作為敏感材料時，制作出來的壓電地震儀，可以對人類不能感知的細(xì)微振動進(jìn)行監(jiān)測，從而有效預(yù)測地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動器是微電子、精密機械和生物工程等領(lǐng)域的重要器件。當(dāng)壓電陶瓷用作超聲波發(fā)射器時，可用于海洋探測、水中導(dǎo)航、超聲清洗、醫(yī)學(xué)成像以及固體探傷、超聲疾病治療等方面。利用壓電陶瓷蜂鳴器、超聲顯微鏡、壓電換能器、壓電點火器等可用來作遙測和遙控系統(tǒng)。此外，壓電陶瓷還在精密儀器、自動控制航天航空、辦公自動化、微型機械系統(tǒng)、精密定位等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.4半導(dǎo)體陶瓷的應(yīng)用前景

半導(dǎo)體陶瓷品種繁多，比如熱敏、濕敏、氣敏、壓敏及光敏電阻器等。其中熱敏電阻元件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備及家用電器產(chǎn)品中。比如用于汽車?yán)鋯拥腜TC加熱片，可提高冷啟動速度和降低汽車尾氣排放，在彩電消瓷器、機調(diào)器、節(jié)能燈、空暖風(fēng)等家用電器中，PTC熱敏陶瓷也有著廣泛應(yīng)用；氣敏陶瓷則主要用于肉類的鮮度鑒定和酒類識別；而濕敏陶瓷傳感器主要應(yīng)用于食品加工、空調(diào)、輕紡等方面；壓敏陶瓷主要在超導(dǎo)移能、高壓穩(wěn)壓，無間隙避雷器等方面應(yīng)用。除此之外，半導(dǎo)體陶瓷在航空航天、電子通信、儀器儀表、雷達(dá)等領(lǐng)域也有很重要的應(yīng)用。

3.5快離子導(dǎo)體陶瓷的應(yīng)用前景

由于快離子導(dǎo)體它的電荷載體是離子，具有在傳輸電荷的同時伴隨離子遷移的特性，使它具有很多不同于電子導(dǎo)體的用途。例如在固體電子器件及各種電池的隔膜材料中的應(yīng)用，其中已實用化的有常溫一次電池、燃料電池、蓄電池、庫侖計、氣敏傳感器、可變電阻器、電積分器，雙層電容器等。

3.6高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用前景

在交通運輸、電力系統(tǒng)、環(huán)保醫(yī)藥、電子工程、高能核實驗和熱核聚變等方面，高溫超導(dǎo)陶瓷都有著廣泛的應(yīng)用。比如電力系統(tǒng)方面，利用超導(dǎo)陶瓷的零電阻特性，可承擔(dān)超導(dǎo)線圈、輸配電、超導(dǎo)發(fā)電機等功能。在環(huán)保醫(yī)藥方面，可以利用超導(dǎo)體儀進(jìn)行無害化處理、廢水凈化。在高能核實驗和熱核聚變方面，可利用超導(dǎo)體制造探測粒子運動徑跡的儀器，也可利用超導(dǎo)體的強磁場使粒子加速獲得高能粒子。在電子工程方面，可以制成超導(dǎo)、超導(dǎo)場效應(yīng)晶管、超導(dǎo)量子干涉器、超導(dǎo)磁通量子器件等器件。此外，將高溫超導(dǎo)應(yīng)用于超高頻可用作毫米波通信，將會使電視畫面更清晰。

3.7高性能電子陶瓷材料的應(yīng)用前景

作為尖端技術(shù)中不可缺少的新材料的一個組成部分的高性能電子陶瓷，它在航空航天、國防工業(yè)、能源、電子、機械、汽車、冶金、石油化工和紡織行業(yè)等各方面都有很大的應(yīng)用前景。例如在石油化工行業(yè)需要大量的球閥、缸套等耐腐蝕耐磨的陶瓷部件，在紡織行業(yè)中需要大量的陶瓷剪刀、陶瓷輪等耐磨陶瓷件，在國防工業(yè)需要具有特殊性能的陶瓷材料，如耐照高溫輕質(zhì)隔熱材料，防彈裝甲陶瓷；在航空航天中，需要用的反射鏡陶瓷材料，激光器用的聚光腔陶瓷材料等都屬于高性能陶瓷材料。可見，在高技術(shù)領(lǐng)域高性能陶瓷材料具有廣泛且不可替代的作用，其發(fā)展速度也很驚人，每年以接近10倍的速度發(fā)展。

4 結(jié)語

品種繁多的電子陶瓷因性能各異，在光學(xué)、微電子、能源、生物、環(huán)保與節(jié)能、超導(dǎo)等很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，會對電子陶瓷材料的性能、形狀、品種、精密度等方面，提出更高的要求，所以只有不斷地開發(fā)與采用新的制備工藝，創(chuàng)造新的材料體系，才能更大的發(fā)揮電子陶瓷新材料在國民經(jīng)濟各個行業(yè)中的作用。

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