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现代陶瓷材料——电子陶瓷

现代的新型特种陶瓷,基于材料的力学和结构用途的陶瓷,被称为结构陶瓷,而基于电、磁、光、声、热、力学、化学或生物功能及功能间相互转化用途的陶瓷材料,则被称为功能陶瓷。其中,主要用于电、磁方面的陶瓷材料,是功能陶瓷的最大的细分分支,被称为电子陶瓷。

电子陶瓷是无源电子元器件的核心材料,广泛用于3C电子、通讯、自动控制、信息计算机、激光、医疗、机械、汽车、航空、航天、核技术和生物技术等众多高技术领域中,有着显著的社会效益和客观的经济效益,是经济发达国家、地区的优先发展对象。

电子陶瓷按其应用及功能可分为:绝缘装置瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等。

绝缘装置瓷

绝缘装置瓷具有优良的电绝缘性能,主要用来隔绝、支撑、保护电路上的电子线路,防止短路,并快速疏散电路产生的热量,是制造电子元器件、部件和电路的基体、外壳、固定件和绝缘零件等的陶瓷材料。

随着电气电子设备向高功率、高度集成化及小型化的发展,尤其是SiC等第三代半导体材料的发展,设备单位体积内的热量暴增,高导热的绝缘基片材料备受关注。目前高导热的陶瓷基板材料主要有氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氧化铍(BeO)和氮化硅(Si3N4)。

其中氮化硅基板因其远高于氮化铝和氧化铝的机械强度、断裂韧性和不逊于氮化铝的理论热导率,在作为基板时有极高的可靠性,是最有前途的适应第三代半导体的基板材料,但受制于材料加工工艺,相比于国外,国内氮化硅基板的产业化还有待发展等。

介电陶瓷

介电陶瓷和绝缘陶瓷本质上属于同一类陶瓷,但是与绝缘陶瓷不同的是,介电陶瓷主要利用材料的介电性能,通过控制陶瓷的介电性质,使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数。介电陶瓷是电子陶瓷中产量最大的一支,主要用于陶瓷电容器和微波介质陶瓷。陶瓷电容器种类繁多,有低频的BaTiO3系瓷料,高频的MgTiO3、CaTiO3系瓷料,高压大容量的SrTiO3系瓷料等等。目前,国内外已根据这些陶瓷材料的介电性能成系列的生产,以满足不同的需要。

而微波介质陶瓷的种类也不少,主要用途是用作微波介质谐振器及微波集成电路基片等,有ε≈20的(Mg,Ca)TiO3系,ε在30~40之间的BaO•4TiO2系、2BaO•TiO2系、Pb(Mg,Nb)O3系、Pb(Zn,Nb)O3系、Ba(Zn,Nb)O3系、Ba(Sr,Ta)O3系,以及ε=70~90的BaO-Nd2O3-TiO2、BaO-Sm2O3-TiO2等稀土混晶系等。

在陶瓷中掺杂一些不同电价的元素,使陶瓷的晶粒或晶界具有半导体特性,这种电子陶瓷被称作半导体陶瓷。半导体陶瓷的电导率会因外界条件(湿度、气体、力、热、声、光、电等)的变化而发生显著的变化,从而将外界环境的物理量变化转变为电信号。

半导体陶瓷可被用于制成各种用途的敏感元件,其中正温度系数热敏电阻(PTC,以钛酸钡、锶、铅等为主要材料,掺杂稀土元素等)、负温度系数热敏电阻(NTC,以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料)、压敏电阻(最常用的为氧化锌型)、气体传感器、湿度传感器等是物联网技术的主要基础材料,并且热敏陶瓷和压敏陶瓷的产量和产值最高。

压电陶瓷

压电陶瓷是指具有压电效应的电子陶瓷,能在受到压力后将压力转化成电能,也能在电场的作用下发生形变,将电能转化成机械能,是一种重要的能量交换材料,其机电耦合性能优异,广泛应用于电子信息、机电能量交换、自动控制、MEMS、生物医学仪器等领域。常用的压电陶瓷材料有钛酸钡(BaTiO3)一类的单元系压电陶瓷和锆钛酸铅(PZT)一类的二元系压电陶瓷。

在日常生活中,压电陶瓷可用于点火器、拾音器、传声器、手机耳机、蜂鸣器、电子音乐贺卡等,而机电耦合系数近于钛酸钡(BaTiO3)的一倍的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的出现,使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。

超导陶瓷

超导现象,是指在某一临界温度下物体电阻为零的现象,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(77K)的情况下就可以呈现超导现象,大幅降低冷却成本。高临界温度(90K以上)的超导陶瓷材料,主要是钇钡铜氧化物系列,组成有YBa2Cu3O7-δ,Bi2Sr2Ca2Cu3O10,Ti2Ba2Ca2Cu3O10等。