1 电子陶瓷及其特性
电子陶瓷 (electronic ceramic) 在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。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。
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。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。电子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。
2 电子陶瓷分类
2.1 绝缘装置瓷
简称装置瓷, 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。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。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Mg Si O3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。
2.2 铁电陶瓷
功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件, 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 (Pb Ti O3) 等。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。
2.3 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。
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、Zn O压敏电阻器、Ba Ti O3系正温度系数热敏电阻器、Cd S/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。
Cd S/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Cd S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。
2.4 离子陶瓷
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。
3 电子陶瓷发展趋势
3.1 电子陶瓷材料发展趋势
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, 对发展电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。
在高温高性能压电陶瓷材料方面, 随着钢铁、化工、能源、航空航天的发展, 需要高精度驱动器、探测换能器和传感器等压电器件在高温 (可达600℃~800℃) 恶劣环境中工作。航空器引擎的振动控制、载液态 (蒸汽) 金属管道的无损探伤、钢铁和化工工业、热网、电网以及核电工业的高温流量探测和控制、焊接管道的无损探伤、高精度传感驱动器件等领域, 对压电材料的高温应用都提出了迫切要求。
在无铅压电陶瓷材料方面, 以机电能量转换为其特征的压电陶瓷材料目前大规模使用的是铅基压电陶瓷, 其中Pb O约占原料的60%~70%左右。这些含铅压电陶瓷材料在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境带来严重危害。为了保护地球和人类的生存空间, 防止环境污染, 研究和开发实用化的无铅压电陶瓷材料是一项具有重大社会和经济意义的课题。
3.2 电子陶瓷应用发展趋势
具有更薄更小尺寸的片式压电陶瓷频率元器件;频率更高的压电陶瓷谐振器;具有更高频率精度, 更优异频率稳定性, 可靠性更高的压电陶瓷频率元器件;具有优异的耐热性, 能适用无铅回流焊需要的片式陶瓷频率元器件;不含或少含有毒、有害元素的片式压电陶瓷频率元器件的应用会受到关注。
压电陶瓷换能器产生的超声波处理废水及有毒水。具有径向尺寸小、输出力矩大、可控性强等特点的超声电机;防盗、测高、汽车防撞、遥控开关和机器人测距离等超声传感器;伺服位移制动器、光学应变镜、应变光栅、超精密导向机构、切磨误差补偿制动器、油压伺服阀等应特别关注。
4 结语
电子陶瓷在过去十多年里获得了重大发展, 但是电子陶瓷产品的发展空间还是很大的, 只有不断改进生产工艺才能使电子陶瓷有更好的发展。
摘要：本文主要论述了电子陶瓷的特性及其分类, 并对电子陶瓷的发展提出了一些自己的观点, 以期为电子陶瓷的研究提供一些帮助。
关键词：电子陶瓷,材料,传导
参考文献
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[2] 石成利, 刘国.电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势[J].陶瓷, 2008 (3) .