先进陶瓷材料

功能陶瓷材料及其应用研究进展

发布时间：2008-02-29 /

多层压电变压器及其背光电源具有高功率密度、高转换效率、薄型化和低成本等特点。基于缺陷化学原理和无晶粒长大的致密化烧结动力学，制备了亚微米/纳米晶钛酸钡基陶瓷及其薄层化*金属内电极mlcc。研制了低烧铁氧体材料及其片式电感器。介绍了压电陶瓷超声徽马达的结构与特性。功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料。它是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。

功能陶瓷及其新型电子元器件对信息产业的发展和综合国力的增强具有

重要的战略意义。电子信息技术的集成化和微型化的发展趋势，推动电子技术产品日益向微型、轻量、薄型、多功能和高可*的方向发展。功能陶瓷元器件多层化、片式化、集成化、模块化和多功能化以及高性能低成本是其发展的总趋势。本文着重介绍部分功能陶瓷及其片式元器件应用研究的新进展。

1.铁电陶瓷及其高性能片式元器件多层片式陶瓷电容器(mlcc)是一种量大面广的重要电子元器件，广泛用于电子信息产品的各种表面贴装电路中。大容量、薄层化、低成本、高可*等是mlcc发展的主要方向。mlcc是陶瓷介质材料、相关辅助材料以及精细制备工艺相结合的高技术产品。

陶瓷介质材料是影响mlcc诸多性能的关键因素。钛酸钡铁电陶瓷是mlcc 的主流材料。它在居里点附近虽然有较高的介电常数，但其温度变化率也较大。温度稳定型x7r mlcc是一种有广泛而重要用途的片式元件。如何保证高介电常数与低容温变化率兼优是一个技术难题。研究结果表明:通过添加物复合掺杂，控制烧结过程以形成化学成分不均匀的“芯(铁电相)-壳(顺电相)”结构，所制备的钛酸钡基x7r502 mlcc材料的室温介电常数可达5000左右，室温介电损耗小于1%，电阻率为1011ω?m。，击穿场强高于5 kv/mm，容温变化率小于或等于士10%。它为制备军用高可*大容量x7r mlcc提供了关键新材料。

发展新一代超薄型大容量*金属内电极mlcc对陶瓷材料和制备工艺提出了许多科学与技术方面的问题。mlcc的层厚由原来的几十微米降到几微米，甚至1-3μm。这对陶瓷介质材料的晶粒尺寸及微观结构的控制提出更高要求，即需要制备亚微米/纳米晶钛酸钡陶瓷。采用ni*金属内电极(base metal electrode, bme )制备mlcc,必须研制抗还原烧结钛酸钡陶瓷介质材料。由于ni/ni0的平衡氧分压很低，ni电极在氧化气氛中烧结极易氧化而失去电极作用。解决钛酸钡陶瓷在低氧分压气氛烧结而不被还原的缺陷化学原理为bme mlcc的实用化和产业化提供了理论与技术指导。

近年来，bme mlcc的产业化规模及其在片式多层陶瓷电容器的市场占有率不断增大，应用于高端产品的材料和技术仍是当前bme mlcc的研究热点和难点。采用高品质钛酸钡粉体和受主、施主以及稀土掺杂，通过独特的烧结工艺，制备了高性能亚微米晶钛酸钡x7r(302)抗还原瓷料。陶瓷晶粒100-400nm，室温介电常数2000-3600，击穿场强l0kv/mm，绝缘电阻率为1010ω?m，容温变化率小于或等于±12%,室温介电损耗小于0. 8%。所研制的x7r 302亚微米晶(300nm )*

金属mlcc具有细晶、高介电常数和高的耐压特性，为新一代薄层化bme mlcc

提供了关键材料与技术。

2 压电陶瓷及其新型压电元器件基于过渡液相烧结机制，通过精选材料组成体系和添加物改性，研制了一系列高性能与低温烧结兼优的压电陶瓷材料。其中铌镁-锭镍-锆钛酸铅(pmn一pnn一pzt)四元系压电陶瓷通过添加适量lico3，和zno，烧结温度降至820一960℃，材料仍有很好的压电性能。例如:当烧结温度为900℃，压电常数(d33)为700pc /n，机电耦合系数kp为0. 74，室温介电常数(ε3

3 /εo)为3590，介电损耗(tanδ)为210 x 10-4。该低温烧结压电瓷料用于制备压电厚膜微泵。适当改性的铌镁-铌锌-锆钛酸铅(pmn一pzn一pzt)压电陶瓷为低烧片式多层压电变压器mpt提供了关键材料。该材料烧结温度在1000℃左右，kp为0.60, d33为300pc/n, tanδ小于或等于50x10-4，εt33/ εo为1050。所制备的mpt具有低驱动电压、高升压比、薄型片式化、无燃烧短路隐患、能量转换效率高、适合表面安装、无电磁干扰等诸多优点。mpt及其液晶显示器(lcd)背光电源的应用研究与产业化已取得新的进展。

伴随着数字化信息技术的发展，低功耗、小型化、数字化、多功能的显示技术日益受到重视。液晶显示器(lcd)是片式压电变压器的重要应用领域之一。通过有限元分析和多普勒激光扫描测振仪对mpt半波与全波谐振的振动模态与

机电谐振特性进行的分析表明，mpt谐振状态下沿长度方向的质点位移随输入电压的增大呈现规律变化，最大的位移发生在端部。对半波谐振而言，节点位置并非在mpt的正中间，为其最佳节点位置。这种非对称的位移分布可能与横-纵向振模mpt的结构不对称有关。驱动方式与条件的优化对改进mpt的负载特性与能力、提高其转换效率有重要影响。

近些年来发展起来的超声波马达是一种基于压电陶瓷的逆压电效应及其

超声波振动实现驱动的新型驱动器，由于其具有低速下大力矩输出、功率密度高、响应速度快、无源自锁、无电磁干扰、控制精度高和控制灵活等特点，越来越受到人们的关注。压电微马达的力矩比静电微电机高3-4个量级;比电磁微电机高

1-2个量级。特别是它独有的高功率密度，使其非常适合电机小型化的发展要求。在管状压电微马达的基础上，利用实心压电陶瓷棒制备出性能更好的微型马达，压电陶瓷棒微型化及制备工艺较简单，所制备的直径3mm陶瓷棒微型马达最大输出力矩可达4.1 x 10-11?nm，是已见报道的1.5mm管状陶瓷微马达输出力矩的10倍，且最大转速不低于300r/ min，质量仅0.8g。采用降频增幅机构其驱动频率仅为60khz左右，驱动频率明显低于其它类型微电机，相当于直径30mm的环形行波马达。压电陶瓷棒超声波马达的尺寸可小于1 mm，甚至可以小到100m左右。

3. 低烧软磁铁氧体及其片式电感器以高性能低烧软磁铁氧体材料为介质的多层片式电感器是电感类元件发展的方向。目前这类元件已形成了规模相当大的产业和市场。片式电感器的主要应用领域包括移动通信、计算机、音像产品、家电、办公自动化等。随着第3代移动通信技术、数字电视、高速计算机、蓝牙产品等新一代数字化电子产品的推出和世界各国电磁干扰(emi)控制标准的相继制订，对各种片式电感类元件，特别是抗emi类片式电感元件的需求将急剧上升。

为适应高感量和大功率片式电感器的市场需求，必须研制具有更高磁导率、适应叠层式电感器工艺要求的新一代低烧软磁铁氧体材料。对这各类信息系统的高频化趋势，特别是第3代移动通信技术和蓝牙技术的出现，对微波频段片式电感的需求将迅速增加，高频化是片式电感器发展的一个重要方向。目前一般采用低烧的低介电常数陶瓷材料。随着片式元件的进一步小型化和集成化，基于