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1、功能陶瓷材料及其应用研究进展 李龙土(清华大学材料系，新型陶瓷与精细工艺 国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4)摘要：介绍铁 电、压 电等功能陶瓷及 其片式元件应 用研 究的若干新进展。基 于过渡液相烧结机制 的高性能压电 陶瓷材料具有低 烧结温度、高压 电常数和低介质损耗等诸 多优点。低烧 多层 压电变压 器(Mr r)以其低驱 动电压、小体 积、高升压比、薄型片式化等优点在液晶显示背光电源等 方面获得应用。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
2、贱金属 内电极 ML C C。研 制 了低 烧铁氧体材料及其片式电感器。介绍 了压电陶瓷超声微马 达 的 结 构与 特 性。关键词：铁 电陶瓷；压电陶瓷；铁 氧体；多层陶瓷电容器；多层 压电变压 器 De v e l o pm e n t i n Fu nc t i o na l Ce r a mi c M a t e r i a l s a n d Th e i r Appl i c a t i o n s Li Lo n gt u (S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Ne w C e r a mi c s a n d F i n e P r o
3、 c e s s i n g，D e p a r t me n t o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g，T s i n g h a a U n i v e r s i t y，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4)Ab s t r a c t：S o me r e c e n t d e v e l o p me n t s i n f e r r o e l e c t r i c a nd p i e z o e l e c t ric e t c f u n c t i o n a l c
4、 e r a mi c s a n d mu hi l a y e r d e v i c e s we r e i n t r o d u c e d Ba s e d o n t h e t r a n s i e n t l i q u i d p h a s e s i n t e r i n g me c h a n i s m，t h e l o w t e mp e r a t ur e s i n t e r e d p i e z o e l e c t ric c e r a mi c s s h o we d a d v a n t a g e s o f h i g h
5、 p i e z o e l e c t ric p r o pe r t i e s a n d l o w l o s s f a c t o r L o w t e mp e r a t u r e s i n t e r e d mu hi l a y e r p i e z o e l e c t ri c t r a n s f o r me r s(MP T)h a v e b e e n wi d e l y u s e d a s p o we r s u p p l y f o r b a c k l i g h t i n g i n l i q u i d c r y
6、s t a l d i s p l a y t e c h n i qu e s，o wi n g t o i t s me rit o f t h e l o w dr i v i n g v o l t a g e，s ma l l s i z e，h i s h v o l t a g e s t e p u p r a t i o，a nd h i g h t r a n s f e r e f fic i e n c y Ba s e d o n t h e p rinc i p l e o f d e f e c t c h e mi s t ry a n d s i n t e
7、r i n g d y n a mi c for d e n s i fic a t i o n wi t ho u t g r a i n g r o wt h，t he Ba Ti Os b a s e d m u l t i l a y e r c e r a m i c c a p a c i t o r s (ML C C)w i t h b a s e me t a l i n t e r n al e l e c t r o d e (B ME)w a s s t u d i e d s y s t e m a t i c al l y T h e l o w firin g f
8、 e r r i t e s a n d mu hi l a y e r c h i p i n d uc t o rs we r e a l s o s t u d i e d Th e c h a r a c t e ris t i c s o f p i e z o e l e c t r i c u l t r a s o n i c mi c r o mo t o r we r e i n t r o d u c e d b rie fl y Ke y wor ds：f e r r o e l e c t r i c c e rami c s；p i e z o e l e c t
9、ric c e r a mi c s；f e r r i t e；mu l t i l a y e r c e r a mi c c a p a c i t o r；muh i l a y e r p i e z o e l e c t r i c t I n s f ln r n l e r 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
10、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 13 益向微型、轻量、薄型、多功能和高可靠的 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。作者简介：李龙土(1 9 3 5一)，男，本科，教授 中国工程院院士 主要从事功能陶瓷的研究 1 0 7 维普资讯 http:/ 1 铁 电陶瓷及其高性能片式元器件 多层片式陶瓷电容器(ML C C)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
11、层化、低成本、高可靠等是 ML C C发展的主要方向。ML C C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 ML C C诸多性能的关键因素。钛酸钡铁电陶瓷是 ML C C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 X 7 R M L C C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)一壳(顺电相)”结构，所制备的钛酸钡基 X 7 R 5 0 2 ML C C材料的室温介电常数可达 5
12、0 0 0左右，室温介电损耗小于 1 ，电阻率为 1 0“Q m，击穿场强高于 5 k V m m，容温变化率小于或等于 1 0。它为制备军用高可靠大容量 X 7 R M L C C提供了关键新材料。发展新一代超薄型大容量贱金属 内电极 ML C C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。ML C C的层厚由原来的几十微米降到几微米，甚至 1 3 1x m。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 N i 贱金属内电极(b a s e m e t a l e l e c t r o d e，B M E)制备 ML C C，必
13、须研制抗还原烧结钛酸钡陶瓷介质材料。由于 N i N i O的平衡氧分压很低，N i 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 B M E M L C C的实用化和产 业化提供了理论与技术指导。近年来，B M E M L C C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 B ME ML C C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 X 7 R(3 0 2)抗还原瓷料。陶瓷 晶粒 1 0 0 4 0 0
14、 n m，室温介电常数 2 0 0 03 6 0 0，击穿场强 1 0 k V m m，绝缘电阻率为 1 0 Q m，容温变化率小于或等于 1 2 ，室温介电损耗小于 0 8 2 1。所研制的 X 7 R 3 0 2亚微米晶(3 0 0 n m)贱金属 ML C C具有细晶、高介电常数和高的耐压 特性，为新一代薄层化 B M E ML C C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 一 铌镍 一锆钛酸铅(P MNP N NP Z T)四元系压电陶瓷通过添加适量 L
15、 i C O 3 和 Z n O，烧结温度 降至 8 2 09 6 0 C，材料仍有很好 的压电性能。例如：当烧结温度为 9 0 0 C，压电常数(d )为 7 0 0 p c N，机电耦合系 数 为 0 7 4，室温介电常数(。)为 3 5 9 0，介电损耗(t a n 6)为 2 1 01 0。b 。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 一铌锌 一 锆钛酸铅(P MN P Z N P Z T)压电陶瓷为低烧片式多层压电变压器 MP T提供 了关键材料。该材料烧结温度在 1 0 0 0 C 左右，为 0 6 0，d 3 3 为 3 0 0 p C N，t a n t 小
16、于或等于 5 01 0 一，为 1 0 5 0。所制备的 MP T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。MP T及其液晶显示器(L C O)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(L C D)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 M P T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，MP T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
17、 4 1。对半波谐振而言，节点位置并非在 MP T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 一纵向振模 MP T的结构不对称有关。驱动方式与条件的优化对改进 MP T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 34个量级；比电磁微电机高 1 2个量级。特别 1 08 维普资讯 http:/ 是它独有的高功率密度，使
18、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 3 mm陶瓷棒微型马达最大输出力矩可达 4 11 0 一N m，是已见报道 的 1 5 m m管状陶瓷 微马达输出力矩 的 1 0倍，且最大转速不低于 3 0 0 r m i n，质量仅 0 8 g。采用降频增幅机构其驱动频率仅为 6 0 k H z 左 右 I，驱动频率明显低于其它类 型微电机，相当于直径 3 0 m m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 l O O tx m左 右。3 低烧软
19、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(E MI)控制标准的相继制订，对各种片式电感类元件，特别是抗 E MI 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 1。对这各类信息系统的高频化趋势，特别是第
20、 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，基于共烧 陶瓷技术 的发展，片式电感器与片式 电容器相集 成的片式 L C滤波器正成为新的产品系列走向市场。片式电感类元件的关键技术是高性能低烧软磁铁氧体材料。在相当长的时间中，片式电感类元件的材料技术 主要为 E t 本的一些大公司所垄断。材料优势是构成这些企业参与竞争并牟取高利润的主要因素。近年来，我国在 低温烧结高磁导率和甚高频片感材料方面取得了具有国际领先水平的研究成果，被业界评为“标志着我国
21、新生的 片式电感产业步人 自主发展 的阶段”。目前，我国在片式电感材料的高端材料，如高磁导率低温烧结 N i C u Z n铁氧 体、低温烧结甚高频平面六角铁氧体、高频宽带磁珠材料等方面均获得 了具有 自主知识产权 的研究成果1 7,8 1。4 新型微波介质陶瓷材料及元器件 近年来，通信技术 的高速发展，大大推动了电子元器件向小型化、片式化和高频化方 向发展 的进程，除传统的 片式电容、片式电感和片式电阻等表面贴装元件外，微波陶瓷器件也正向片式化、微型化甚至集成化方 向发展。为 了满足移动通信、无线局域网和微波集成电路发展的需要，一批新型的射频 微波器件不断涌现，包括片式微波电 容器、片式多层
22、微波滤波器、L C滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块、耦合器、功分器等。以微波介质谐振器和滤波器为代表的微波介质陶瓷元件，是一种军民两用的新型器件，它是在空间技术、火 箭制导和微波系统的小型化的推动下发展起来的，典型的应用领域包括：军用和民用的空间技术、雷达、移动通 信、卫星通信和 G P S等。微波介质陶瓷材料主要应用于微波频段 电路 中作为介质材料，通常低和 中介 电常数微波介质陶瓷材料主要 应用在卫星直播及军用雷达等领域，高介电常数微波介质陶瓷则主要用于工作在微波低频段的民用移动通信系 统中作为谐振器、滤波器等。微波介质谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小、重量轻、温度稳定性好
23、、价格便 宜等优点，是现代通信设备小型化、集成化的关键部件之一。基于低温共烧陶瓷(L T C C)技术发展起来的片式多层微波滤波器是采用高性能低温共烧微波介质陶瓷材料，利用多层陶瓷技术，在三维陶瓷介质中形成金属(通常为银或铜)带状线或微带线结构。这种滤波器因具有尺寸 小、插入损耗低、设计灵活度大等特点，在对小型化要求较高的电子通信设备及无线局域网(WL A N)等领域具有很 好的应用前景。目前这种基于 L T C C的微波器件表现出很好的发展态势，除已实用化的低通、带通滤波器外，已开 发出包括 L C滤波器、双工器、片式多层天线、收发开关功能模块、平衡 一 不平衡转换器、耦合器、功分器等多种新
24、 1 0 9 维普资讯 http:/ 型微波 兀器件。手机射频前端滤波电路是射频微波滤波器的重要应用领域，在多层微波滤波器出现以前，由于陶瓷介质滤波 器的体积大，无法满足手机短小轻薄的发展要求，所 以手机射频前端滤波器主要是声表面波(S A W)滤波器和双工 器，但 S A W 器件的插损一般较大，不利于集成，且高频下功率处理能力差，因而其使用也受到限制。基于 L T C C的 多层微波滤波器的出现给手机射频前端滤波的小型化和集成化带来了新前景。大力开展微波介质陶瓷材料及新型 微波器件，特别是片式微波滤波器及相关材料技术 的系统研究，对于推动我 国通信产业的发展具有重要意义。5 结语 功能陶瓷
25、材料及应用发展方兴未艾，作为一类新型无机非金属材料，它具有鲜明的学科交叉特点。功能陶瓷 的复合化和集成化是功能陶瓷向片式化、模块化、多功能化发展的必然趋势。以 L T C C为基础的功能陶瓷集成化及 陶瓷微系统技术在通信技术，微机电技术等领域将发挥其独特作用。多种功能各异的无源电子元件(电容、电感、电阻、传感器、天线等)通过低温共烧集成到单一模块的技术无源集成技术的兴起，开辟 了功能陶瓷崭新的应 用领域，同时提 出了一系列材料与制备科学问题，如低温烧结和高性能兼优的功能陶瓷系列新材料、零收缩 L T C C 材料、射频 微波 L T C C材料、三维与复杂结构陶瓷器件内电极的形成与通联技术、高
26、密度超薄陶瓷膜片的低成本 流延制备技术、异质材料的共烧致密化行为与界面兼容性的调控技术、集成 陶瓷系统 中的场分布、计算仿真、设计 原理和性能模仿等。参考文献 1 W a n g X H，Ch e n R Z，Gu i Z L，e t a 1 S y nt h e s i s a n d pr o p er t i e s o f b a r i u m t i t a n a t e b a s e d X7R c e r a mi c s b y c he mi c a l me t h o dF e r r o e l e c t r i c，2 0 01，26 2：2 512 56 2
27、 W e n H，W a n g X H，L i L T，e t a 1 Pr o p e rti e s o f Srd o p e d Ba TiO3 ba s ed X7R c e r a mi c s ma t e ria l s Ke y En g Ma t e r，2 00 5，28 028 3：6 56 7 3 Li L T，Gui Z LFa b ric a t i o n o f l o w f i r i n g pi e z o e l e c t ric c e r a mi c s a n d t h e i r a pp l i c a t i o ns F e r
28、 r o el e c t r i c s，2 0 0 1，26 2：3 1 0 4 Hu X B，Li L T，Ch u X C，e t a 1 An aly s i s a n d me a s u r e me n t o f t he v i b r a t i o n s o f mu hi l a y e r p i e z o e l e c t ric t r a ns f o r me r Ke y En g Ma t e r，2 0 0 2，2 2 4(2)：1 2 51 2 8 5 Ch u X C，Xi ng Z P，Li L T，e t a1Hi g h r e s
29、o l u t i o n mi n i a t uriz e d s t e p pe r u l t r a s on i c mo t o r u s i n g d i ffe r e n t i al c o mp o s i t e mo t i o n Ul tra s o ni c s，2 0 0 4，4 1(9)：7 3 77 4 1 6 Yu e Z X，Zh o u J，Gu i Z L，e t a1Ma g n e t i c a n d e l e c t ri c a l p r o p e rti e s o f l o w t e mp e r a t u r
30、e s i n t e r e d Mn d o p e d Ni C u Z n f e r r i t e s J Ma g n Ma g n M a t e r，2 0 0 3，2 6 4(2 3)：2 5 8 2 6 3 7 Wa n g X H，R e n T L，L i L T，e t a1 S y n t h e s i s o f C u m o d i fi e d C o(2)Z h e x a f e r r i t e w it h p l a n a r s t r u c t u r e b y a c i t r a t e p r e c u r s o r m
31、 e t h odJ Ma g n M a gn M a t e r，2 0 0 1，2 3 4(2)：2 5 5 2 6 0 8 Z h a n g H G，L i L T，Z h o u J，e t a 1 L o w t e mp e r a t u r e s i n t e r i n g，d e n s i fi c a t i o n，a n d p r o p e rt i e s o f Z-t y p e h e x a f e r r i t e w i t h Bi Os a d d i t i v e s J A m C e r a m S o c，2 0 0 1，8 4(1 2)：2 8 8 92 8 9 4 9 Zh a n g Y C，Li L T，Yu e Z X，e t a 1 Effe c t s o f a dd i t i v e s o n mi c r o s t r u c t u r e s a n d mi c r o wa v e d i e l e c t ric p r o p e rti e s o f Zn Nb O6 c e r a mi c s Ma t S c i En g B S o l i d，2 0 03，9 9：28 228 5 l l 0 维普资讯 http:/