电子陶瓷材料及产品与技术解读

李平舟

(湖北十堰市车城化工材料工程公司,十堰 442001)

电子陶瓷材料及产品与技术解读

李平舟

(湖北十堰市车城化工材料工程公司,十堰 442001)

摘要: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。针对电子陶瓷材料的功用特点及应用领域，分别介绍了电子绝缘装置陶瓷，电子电容器陶瓷，电子铁电陶瓷和半导体陶瓷以及电子快离子陶瓷的结构原理、性能优势和制造工艺等，同时指出了电子陶瓷材料的发展前景。

关键词:电子陶瓷;材料产品;功用特点;发展前景

电子陶瓷是在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷，称为电子陶瓷。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。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用，因此受到社会的广泛关注。

1电子陶瓷材料的功用特点及应用领域

电子功能陶瓷是一种能够对光、电、磁、热、以及声等进行不同形式转换的非结构材料。在电子领域中，电子功能材料通常被加工成具有一定形状的器件，配以必要的连接，而达到将各种形态的能量互相转化的功能，已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。其中，压电陶瓷材料又在电子功能材料领域中占相当大的比重，受到广泛的关注。

陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。电子陶瓷具有电磁功能的一类功能陶瓷，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。最早的压电材料主要是压电单晶材料，作为压电陶瓷材料是以发现 BaTiO3(BT)陶瓷开始的，并且BT陶瓷一经发现就得到实际运用，研究者不断对BT陶瓷进行改性，得到一些更加优异性能的材料，并广泛应用于滤波器、压电换能器等各种压电器件中，为压电陶瓷的理论打下一定的基础。

电子陶瓷具有较大的禁带宽度，可以在很宽的范围内调节其介电性能和导电性能。陶瓷基片材料在电子陶瓷中，占有最重要位置的是绝缘体。特别是高级集成电路用绝缘基片或封装材料，可以采用尺寸精度为微米或微米以下的高纯度致密氧化铝烧结体。高纯度致密氧化铝具有金属材料所不具备的绝缘性和高分子材料所不具备的导热性。它以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，广泛应用于电子、通讯、自动控制等众多高科技领域。广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。

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。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。近年来,电子陶瓷的研究和开发十分引入注目,其新材料、新工艺和新器件已在诸多方面取得了成果。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。

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。每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。

近年来,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很大发展,但总体来看,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。国外的大公司如日本的村田、松下、京都陶瓷,美国的摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。随着电子信息技术的高速发展,电子陶瓷材料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以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。

2电子绝缘装置陶瓷

绝缘陶瓷简称装置瓷，它具有高电绝缘性、具有优良的高电绝缘性能，优异的高频特性、良好的导热性以及高化学稳定性和机械强度等特性。高频绝缘陶瓷在电子设备中用于安装、固定、保护元件，作为载流导体的绝缘支撑以及各种集成电路基片的陶瓷。具有介电常数小，介质损耗低，机械强度高，以及较高的介电强度、绝缘电阻和热导率等。用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。

绝缘陶瓷的基本要求是介电常数低，介质损耗小，绝缘电阻率高，击穿强度大，介电温度特性和频率特性好。此外，还要求有较高的机械强度和化学稳定性。在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为MgSiO3及Al2O3。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低，是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随 Al2O3含量的增多而提高。常用的有含75%，95%，99%Al2O3的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中，甚至还使用Al2O3含量达99.9%的纯刚玉瓷，其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷，尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难，烧成温度高、价格贵。

常用的高频绝缘陶瓷有高铝瓷、滑石瓷等。随着电子工业的发展,尤其是厚膜、薄膜电路及微波集成电路的问世,对封装陶瓷和基片提出了更高的要求,已有很多新品种，例如氧化铍瓷、氮化硼瓷等。目前正研究发展氮化铝瓷和碳化硅瓷,它们的共同特点是热导率较高。

高铝瓷以α-氧化铝为主晶相，含氧化铝在75%以上的各种陶瓷。具有优良的机电性能，是高频绝缘陶瓷应用最广泛的一种。可用来制造超高频、大功率电真空器件的绝缘零件，也可用来制造真空电容器的陶瓷管壳、微波管输能窗的陶瓷组件和多种陶瓷基片等。

滑石瓷以天然矿物滑石为主要原料，以顽辉石为主晶相的陶瓷。介电性能优良，价格低廉。缺点是线胀系数较大，热稳定性较差，强度比高铝瓷低。滑石瓷广泛用于制造波段开关、插座、可调电容器的定片和轴、瓷板、线圈骨架、可变电感骨架等。

氮化硼瓷是以六方氮化硼为主晶相的陶瓷。其特点是热导率虽在室温下低于氧化铍瓷，但随着温度升高而热导率降低较慢。在500～600℃以上时，氮化硼瓷的热导率超过氧化铍瓷。它还具有良好的电性能。此外，由于它硬度低,可任意加工或切削成各种形状。氮化硼瓷特别适于制作在较高温度下使用的电子器件的散热陶瓷组件和绝缘瓷件，如大功率晶体管的管座、管壳、散热片、半导体封装散热基板以及各种高温、高频绝缘瓷件等。

装置瓷中还有一类以氧化铍 (BeO)为代表的高热导瓷。含 BeO95%的氧化铍瓷的室温导热率与金属相同。氧化铍瓷以氧化铍粉末为主要原料制成的陶瓷,氧化铍还具有良好的介电性、耐温度剧变性和很高的机械强度。其缺点是BeO原料的毒性很大，瓷料烧成温度高，因而限制了它的应用。氮化硼 (BN)瓷和氮化铝(AlN)瓷也属于高热导瓷，其导热性虽不及氧化铍瓷，但无毒，加工性能和介电性能均好，可供高频大功率晶体管和大规模集成电路中作散热及绝缘用。具优良的机电性能,最大特点是热导率高(与金属铝几乎相等),可用以制造大功率晶体管的管壳、管座、散热片和大规模高密度集成电路中的封装管壳和基片。由于氧化铍粉剧毒,在生产和使用上受到一定程度的限制。新研制出的一类以SiC为基料，掺入少量BeO等杂质的热压陶瓷，这种陶瓷绝缘性能优良，热导率高于纯度为99%的氧化铍瓷。它的线胀系数与硅单晶可在宽温度范围内接近一致，可望在功率耗散较大的大规模集成电路中得到应用。用作碳膜和金属膜电阻器基体的低碱长石瓷也是一类重要而价廉的装置瓷，但其介质损耗较大，不宜在高频下使用。

高导热、电绝缘陶瓷随着非氧化物陶瓷受到重视，人们开始将AlN陶瓷作为一种新材料进行研究，侧重于将其作为结构材料应用。近10年来，AlN陶瓷的研究热点是提高热传导性能，应用对象是电路基板和封装材料。最新研究通过采用有效的烧结助剂如CaO和Y2O3生产出了高纯度、高热导率的AlN。BeO陶瓷是一种高导热率、电绝缘性能良好的材料，它对微电子集成电路的发展作出了巨大的贡献，但因其有剧毒，已逐渐被停止使用。近30年来，由于人们的重视和工业应用的需要，高导热电绝缘陶瓷逐渐发展壮大，研究方向也有了一些变化，主要表现在：新材料的开发。一方面，在原有材料的基础上开发新的材料，如在SiC中添加2%BeO，获得SiC-BeO高导热电绝缘材料，性能优于BeO[4]；另一方面，独立开发新材料，正在开发中的有氮氧化硅(Si2ON2)，SiC纤维，氮化硅系列纤维等。国外的一些实验室已成功地制备出形状复杂的氧化铝、氮化硅、碳化硅等制品。

3电子电容器陶瓷

用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。高频电容器瓷属于Ⅰ类电容器瓷,主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体；选用不同的陶瓷成分可以获得不同介电常数、介质损耗角正切tanδ和介电温度系数αε的高频电容器瓷料，用以满足各种温度补偿的需要。四钛酸钡瓷不仅是一种热稳定性高的电容器介质,而且还是一种优良的微波介质材料。

低频电容器瓷属于Ⅱ类电容器瓷,主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。其特点是介电常数ε高,损耗角正切较大且tanδ及ε随温度的变化率较大。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡(BaTiO3)为主成分，通过掺杂改性而得到的高ε(室温下可达20000)和ε的温度变化率低的瓷料。以平缓相变型铁电体铌镁酸铅等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料,也是重要的低频电容器瓷。

半导体电容器瓷利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面(晶界)上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器，它的介电损耗小、绝缘电阻及工作电压高。半导体电容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3两大类。在以BaTiO3,SrTiO3或二者的固溶体为主晶相的陶瓷中，加入少量主掺杂物和其他添加物，在特殊的气氛下烧成后，即可得到N型半导体陶瓷。然后，再在表面上涂覆一层氧化物浆料(如CuO等)，通过热处理使氧化物向陶瓷的晶界扩散，最终在半导体的所有晶粒之间形成一绝缘层。这种陶瓷的视在介电常数极高、介质损耗小、体电阻率高、介质色散频率高、抗潮性好,是一种高性能、高稳定的电容器介质。

铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种，但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化，这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值居里温度TC时，其极化强度下降为零，晶体即失去铁电性，而成为一般的顺电晶体；与此同时，晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。

电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。铁电体的重要微观特征是具有电畴结构, 即铁电体具有许多沿特定方向自发极化到饱和的小区域电畴。这些取向不同的电畴以畴壁分。在相当强的外电场作用下，这种多畴晶体可以被电场强迫取向而单畴化。这种电畴随外电场而反转取向的动力学过程，包括畴壁的运动过程以及新畴成核和成长的过程。

4电子铁电陶瓷和半导体陶瓷

铁电陶瓷是主晶相为铁电体的陶瓷材料。它的主要特性为：在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；存在电畴；发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；介电常数随外加电场呈非线性变化；在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。其电性能：高的抗电压强度和介电常数，低的老化率；在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。常见的铁电陶瓷多属钙钛矿型结构，如钛酸钡陶瓷(BaTiO3)及其固溶体，也有钨青铜型、含铋层状化合物和烧绿石型等结构。

展宽效应、移动效应和重叠效应是铁电陶瓷改性的三大效应。铁电陶瓷的特性决定了它的用途。铁电陶瓷功能多、用途广。利用其压电性可制作各种压电器件，这是铁电陶瓷的主要应用，因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2；利用铁电陶瓷的热释电特性(在温度变化时，因极化强度的变化而在铁电体表面释放电荷的效应)可以制成红外探测器件，在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值，典型的热释电陶瓷有钛酸铅(PbTiO3)等。通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性。利用透明铁电陶瓷PLZT(掺镧的钛锆酸铅)的强电光效应(通过外加电场对透明铁电陶瓷电畴状态的控制而改变其光学性质，从而表现出电控双折射和电控光散射的效应)，可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器，以及激光或核辐射防护镜等新型器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途。

许多陶瓷都具有半导体性质，是所谓半导体陶瓷。电阻随温度而变化的性质，可用于非线性电阻(NTC)。半导体陶瓷具有半导体特性、电导率约在10-6～105S/m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。

半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。半导化过程可通过掺杂不等价离子取代部分主晶相离子(例如，BaTiO3中的Ba2+被La3+取代)，使晶格产生缺陷，形成施主或受主能级，以得到n型或p型的半导体陶瓷。另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。例如氧化气氛可以造成氧过剩，还原气氛可以造成氧不足，这样可使化合物的组成偏离化学计量而达到半导化。半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单，成本低廉，体积小，用途广泛。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。其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。

半导体陶瓷除了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等由一种化合物构成的单相陶瓷以外，还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如，由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷，由氧化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷，由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧结合而成的锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等等。铁系金属的氧化物陶瓷，电阻的温度系数为负，具有化学的和热的稳定性，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方便地自动控温。

通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性(或半导体性)晶界，从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法(亦称原子价控法)两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成离子空位等缺陷，从而提供大量导电电子，使陶瓷中的晶粒成为某种类型(通常是 N型)的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型(P 型)的半导体层。半导体陶瓷种类很多，其中包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻；利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO 压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池；以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。表2列出典型的传感器用半导体陶瓷。

CdS/Cu2S系光电陶瓷不同于上表所列的利用绝缘晶界层性质的半导体瓷，它所利用的是N型CdS与P型Cu2S晶界层之间的PN异质结的光伏效应。用它制成的陶瓷太阳能电池，可以作为无人值守台站的电源，也可作为电子仪器中的光电耦合器件。

5电子快离子陶瓷

快离子导电陶瓷是指电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷，快离子导体又称为固体电解质(导电陶瓷)。其晶体结构一般由2套晶格组成 ,一套是由骨架离子构成的固性晶体,另一套是由迁移离子构成的亚晶格。快离子导电陶瓷是集金属电学性质和陶瓷结构特性于一身的高性能功能材料，具有优良的抗氧化、抗腐蚀、耐高温、高机械强度等特点。和普通的金属导体不同(普通导体是靠电子迁移而导电)，快离子导体在传输电荷的同时还伴随有离子的迁移，这使它们具有不同于电子导体的特殊用途。在化学电源方面，如作为高温燃料电池和高能蓄电池的隔膜材料，固体电解质蓄电池能够突破以水溶液作电解质的传统蓄电池的局限，同时获得高的比能量和比功率；在化学传感器方面也已显示出其独特的优势。当固体电解质陶瓷两侧存在离子的浓度差时，就会产生浓差电势。电势大小取决于陶瓷两则的浓度差。如果一侧的浓度已知，根据公式可求出另一侧离子的未知浓度。这种通过电势测量直接测定气体、溶液或熔体中某一元素或离子浓度的方法具有设备简单、操作方便，连续快速等优点，是生产过程自动化的有力帮手。

快离子导体陶瓷是指在一定条件(温度、压力)下具有电子(或空穴)电导或离子电导特性的陶瓷。电子电导类陶瓷是由于电子或空穴的运动产生电导现象的氧化物、碳化物或硅化物陶瓷。离子电导类陶瓷又称快离子导体或固体电解质，是离子在通过晶体点阵缺陷或玻璃网络结构中的隧道和通路，按一定方向运动而产生导电性的物质。根据导电离子的性质，快离子导体陶瓷可分为阳离子导体和阴离子导体两种。如果固体中的电子电导和离子电导现象同时存在，则这种材料称为混合导体材料。这一类导体有银和铜的硫化物(如α-硫化银和β-硫化铜等)、过渡金属的硫化物(如硫化钛和硫化锆等)和含氧酸盐(如钨酸钠、钼酸锂)等。快离子导体陶瓷电导率高达10S/m，它在很多领域中发挥作用，因此发展很快。

快离子导体陶瓷是指电导率可以和液体电解质或溶盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。现已发现的快离子导体材料有数百种之多，其中较为典型的有氧离子导体、钠离子导体、锂离子导体和氢离子导体。以氧离子为主要载流子的快离子导体。氧离子导体具有特殊的功能，已在工业上得到广泛应用，如作为高温燃料电池、氧泵的隔膜材料和氧传感器等。发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三价稀土氧化物稳定的ZrO2固溶体。

快离子导电的电子陶瓷具有快速传递正离子的特性。典型代表是β-Al2O3瓷,这种陶瓷在300℃下离子电导率可达0.1/(欧·厘米),可用来制作较经济的高比率能量的固体电池,还可制作缓慢放电的高储能密度的电容器。它是有助于解决能源问题的材料。快离子导体陶瓷的主要用途有：制作固体电解质电池,如锂碘、钠硫电池；锂碘电池用作心脏起搏器的电源,钠硫电池用作车辆的驱动能源或大电站的贮能装置；制作离子选择电极,如用氧化锆制作氧分析仪的探头,可直接测定熔融钢液中氧的浓度。β-氧化铝制作钠离子选择电极，可测定合金中的钠含量。此外,还可用来提纯金属钠或制备氢和氧等；制作压敏、气敏、湿敏等敏感元件及其他电化学器件;制作高温发热体或磁流体发电中的高温电极或导电材料等。

6电子陶瓷材料的发展前景

电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同，广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。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。绝缘装置瓷具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷；电容器瓷用作电容器介质的电子陶瓷。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷；铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。

离子陶瓷是快离子导电的电子陶瓷；半导体陶瓷通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性(或半导体性)晶界，从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。

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。高导热、电绝缘陶瓷具备优良的综合性能，在多方面都有着广泛的应用前景，如高温结构材料、金属熔液的浴槽、电解槽衬里、熔融盐类容器、金属基复合材料增强体和主动装甲材料等。尤其是其导热性良好、电导率低、介电常数和介电损耗低等特性，使其成为高密度集成电路基板和封装的理想材料。同时也可用作电子器件的封装材料、散热片以及高温炉的发热件等。钛酸钡陶瓷由于具有高介电常数、良好的铁电、介电及绝缘性能，主要用于制备电容器、多层基片、各种传感器等。钛酸钡粉体的制备方法很多，其中液相合成法因具有高纯、超细、均匀等优点而倍受青睐。以偏钛酸、氯化钡、碳酸铵为原料，采用沉淀法可制备出纯度高、粒径小的钛酸钡粉体。该工艺不需加热，且时间短，可降低设备投资和生产能耗。今后几年介电陶瓷的发展方向仍将是多层陶瓷电容器(MLC)和微波介质陶瓷。具体表现在多层陶瓷器件的微型化、集成化和功能化。微波介质滤波器的需求是通信市场发展的结果。目前，大多数厂家的生产都集中在温度稳定的低损耗介质上。此外，随着人们环保意识的增强，含铅材料的开发将逐渐减少。

压电陶瓷作为一种新型功能材料，广泛应用于传感器、气体点火器、报警器等装置中。它的应用大致分为压电振子和压电换能器两大类：前者主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定、机械品质因数高；后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式。钛酸铅常温下属四方晶系，当温度高于居里温度时，晶体转变为立方晶系，是理想的钙钛矿型结构。因此，钛酸铅是一种可用于高温、高频场合的压电材料。纯钛酸铅的压电性能较低，而且很难烧制，当冷却至居里点时，就会碎裂为粉末；加入少量杂质可抑制开裂，提高压电性能。现今所用的压电陶瓷材料，主要是PbO3，PbTiO3-PbZrO3-ABO3(ABO3为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3等铅基压电陶瓷。PbO的含量约占原料总量的70%。近年来欧美等国已把PbO定为限用对象，因此，开发无铅或低铅的压电陶瓷势在必行；其研究正在日本、美国的一些大学开展。BNT是一种A位复合钙钛矿铁电体，具有铁电性强、压电常数大、介电常数小、声学性能好等优良特性，且烧结温度较低，被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一。但单纯的BNT陶瓷矫顽场强大，在铁电相区电导率高，难以极化，其压电铁电性能也难以发挥，因此很难实用化。目前，人们就BNT陶瓷改性及其相变特性进行了广泛的研究，并取得了较大的进展。

快离子导电陶瓷主要有两方面的应用：用作各种电池的隔膜材料；用作固体电子器件。已实用化的有燃料电池、常温一次电池、蓄电池等。在低能电池应用方面有银离子、铜离子、锂离子和氟离子固体电解质电池。其中锂碘电池由于可靠性高、寿命长，已用作心脏起搏器电源。硫钠电池是一种新型高能固体电解质蓄电池。它的理论比能量是铅酸蓄电池的10倍，且电池放电电流大、充电效率高、原料来源丰富，是一种潜力很大的新能源；目前正在积极研究用于电动汽车动力源、火车辅助电源以及电站储能装置。国际上固体氧化物燃料电池的研究趋势是降低电池的工作温度，因为中温固体氧化物燃料电池可以使用价格比较低廉的合金材料作连接板，对密封材料的要求也较低，使用寿命大幅延长。美国福特汽车公司发现以钠离子为载流子的β-Al2O3在200～300℃有特别高的离子导电率后，钠离子导体发展成为一类重要的快离子导体。此外，骨架结构钠离子导体的研究也取得了显著进展。

快离子导体在能源、冶金、环境保护、电化学器件等各个领域中有着广阔的应用前景，人们正在努力寻找更多的廉价的且常温下具有高离子导电率的快离子导体陶瓷，对快离子导体的研究已经成为材料研究中一个专门领域。从材料的使用性能来讲，离子导体材料必须具备以下条件：在使用温度下具有高的离子电导率；在贮藏温度下具有低的离子电导率；可忽略的电子电导；与电极材料结合时的稳定性以及大规模生产的可操作性。由于快离子导体主要用于器件中,因此,研究其在不同条件下,与不同材料相互配合的性能也显得更加重要。随着对快离子导体材料广泛而深入的研究,人们将会对快离子导体的结构,性能及动力学等理论有更明显的理解,并将开发出更多的快离子导体器件。随着高能电池研究的发展，以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池，由于寿命长、装配方便等优点引起了人们的重视。氢离子导体又名质子导体，它在能源及电化学器件等方面有着广阔的应用前景。

近年来,随着环境保护和人类社会可持续发展的需求,研发新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为发达国家致力研发的热点材料之一。作为重要的功能材料,压电陶瓷在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来,压电陶瓷在全球每年的销售量以15%左右的速度增长。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。目前所用的压电陶瓷材料大多是基于锆钛酸铅的含铅材料体系,发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的研究课题。由此可见,信息技术的发展向功能陶瓷材料提出了一系列严峻的挑战,同时也为功能陶瓷的研究和发展提供了前所未有的机遇。面向21世纪我国3C产业的高速发展,为建立具有自主知识产权的新型信息高技术产业体系,必须大力加强信息功能陶瓷及元器件的创新性研究和开发工作,整体提升我国3C产业的技术创新能力和国际竞争力。

7结束语

总之，随着多层制作技术的发展，电子陶瓷元件可望继续微型化。无铅或低铅的压电陶瓷研究开发已成当务之急，其中单晶体则以KN和BNT-BT系列钙钛矿型无铅强介质材料的研究为热点；新型电子陶瓷的开发离不开薄膜制备技术，医学和通信是电子陶瓷应用增长较快的领域，进一步提高已发现无机电解质的性能和完善现有的应用，并开发新的应用领域。世界各著名大公司加大了对新材料的投资力度，大规模生产，正在迅速将传统的陶瓷组件和复合元器件全面推向片式化、小型化，大幅度提高了产品的性能，降低了制造成本。

Electronic Ceramic Materials and Products and Technology

Li Pingzhou

(Hubei shiyan hundred chemical materials engineering company,Shiyan 442001)

Abstract:The detection of electronic ceramics in information, transformation, processing and storage shows wide application, is the key of the information technology in the basic components of materials. According to the characteristics and application field of the function of electronic ceramic material, electronic insulation devices ceramic are introduced respectively, electronic ceramic capacitor, ferroelectric ceramics and ceramic semiconductor and electronic fast ionic ceramic structure principle, performance advantage and manufacturing process, etc., at the same time points out the prospects of the development of electronic ceramic material.

Keywords:electronic ceramic; material product; function features; prospects for development

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.008