几种功能陶瓷材料的研究与发展现状摘要功能陶瓷作为一种新型的无机非金属材料，以其优越的性能正越来越多地应用到社会生活中来，同时对于它的研究也仍在不断的深入与发展。

由于功能陶瓷材料的种类繁多，本文主要介绍了目前涉及比较广泛的铁电压电陶瓷材料，半导体陶瓷材料以及微波介质陶瓷材料的研究概况与进展。

关键词：铁电陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷微波介质陶瓷前言功能陶瓷主要是指那些利用电磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的先进陶瓷（现代陶瓷）。

功能陶瓷的发展经历了电介质陶瓷、压电铁电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷等等一系列的过程，目前已发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。

功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了巨大的促进作用，其应用领域也随之更为广泛。

[1]目前主要用于电、磁、光、声、热和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储等，并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能人工智能、生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景。

当前功能陶瓷正朝着复合化，多功能化，低维化，智能化和设计、材料、工艺一体化的方向进一步的发展。

一、铁电压电陶瓷材料的研究进展[2]近年来，随着电子器件微型化、智能化的发展，各种性能优良、能满足制备体积更小电子器件的新型材料成为材料科学界的研究热点之一。

铁电压电材料因其具有独特的电学、光学和光电子学性能，在现代微电子、信息存储等方面有着广泛的应用前景，已经成为当前新型功能材料研究的热点之一，其主要可以分为以下几大类。

1、弛豫铁电体弛豫铁电体是指顺电—铁电转变，属弥散相变的铁电材料，一般为复合型化和物或固溶体。

由于弛豫型铁电体具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和“弥散相变”得到的较低容温变化率、大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器及新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景。

近年来，弛豫铁电陶瓷的研究一直是人们关注的热点。

[3]铌镁酸铅—钛酸铅单晶可以用融法长成大单晶，其压电常数d33和耦合系数k33可分别达3000pc/N和0.94，从而使单晶具有规模应用的价值；经辐照处理的聚合物聚偏氟乙烯—三氟乙烯的固溶体（P （VDF—T rFE）成为弛豫铁电体，在电场作用下具有异常大的形变量（达4%）。

这些都是压电领域中自PZT陶瓷发现以来的新突破，在驱动器、换能器、机器人等领域中有广阔的应用前景。

2、无铅压电陶瓷无铅压电陶瓷，或称环境协调性压电陶瓷，是指既具有满意的使用性能又具有良好环境协调性的一类新型功能陶瓷材料，它要求材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质（特别是铅），并且在制备、使用废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质，以及制备工艺应具有耗能少、对环境污染小等良好的环境协调性。

[4]目前研究和开发的无铅压电陶瓷体系主要有铌酸盐系陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钛酸盐陶瓷等，这些体系，主要是结合掺杂、取代改性以及陶瓷植被工艺，研究和开发出的新的无铅压电陶瓷后备材料。

无铅压电陶瓷同传统压电陶瓷工艺相比有合成温度低、烧结温度低、无须密封合成和烧结、无须高温下极化等特点。

但无铅压电陶瓷的性能与铅基陶瓷相比，还存在比较大的差距。

要获得与铅基陶瓷性能相近的无铅体系，还需要进行大量的研究和开发工作。

3、压电复合材料压电复合材料是结合压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三类压电材料的优点所研究出来的一种新型的复合材料。

根据多年实践，[5]国外学者总结出压电复合材料设计3条原则：1）连通性原则，复合材料中各相自身连接的模式和控制系统中所加电场的量及场的分布模式。

2）对称性原则，复合材料中单个组元相的对称性及其在复合材料中排列的宏观对称性都可用于控制材料的性能。

3）尺度原则，复合材料各种能量系数的平均值决定于相关激发波长复合相的尺寸，如果波长与复合相尺寸可相比较，则可发生不寻常的共振。

[6]压电复和材料根据不同的连接类型又分为0—3型、1—3型、2—2型等，不同的连接类型中，陶瓷相和聚合物相的空间分布状态不同，将会导致电场分布的差异，而最终影响复合材料的介电性和压电性。

其中1—3型压电复合材料是目前研究和应用最广泛的一种，它是由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中而形成的两相压电复和材料。

[5]影响压电复合材料的性能的因素有很多，主要有连接类型、陶瓷含量、陶瓷空间尺寸、基体、成型工艺和极化工艺等几方面。

二、半导体陶瓷材料的研究进展半导体陶瓷是敏感元器件及传感器技术的关键材料，是迅速发展的一项高新技术，[7]它与现代信息技术、通讯技术、计算机技术密切相关，它的研究开发乃至生产，涉及到物理、化学、材料科学与工程等多种学科。

半导体陶瓷品种繁多，具有产业规模生产的主要有：热敏、气敏、湿敏、压敏及光敏电阻器等。

1、热敏热敏电阻器一般可分为正温度系数（PTC），负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三类。

[8]PTC热敏电阻器是以BaTiO2或BaTiO3固溶体为主晶相的半导体陶瓷元件。

在一定的温度范围内，其阻值随温度的增加而增加，表现出所谓的PTC效应。

按材料居里点可分为低温、高温，按阻值分可分为低阻、高阻，按使用电压可分为低压、常压和高压，按曲线陡度可分为缓变型和开关型。

PTC热敏电阻器的使用非常广泛，各种电子产品，电器设备中几乎都可以看到PTC热敏电阻元件。

NTC热敏电阻有三种不同类型的阻温特性。

一种是缓变型的热敏电阻，另一种是负温度突变型，又称为临界温度系数热敏电阻（CTR），在特定温度内，其阻值急剧下降，再一种是阻温特性为直线的陶瓷热敏元件。

［8］常温(300℃)NTC热敏陶瓷材料，大多数是尖晶石型氧化物半导体陶瓷，其中包括二元系材料及多元系材料。

二元系陶瓷材料主要有MnO-CuO-O2系、MnO-CoO-O2系、MnO-NiO-O2系等金属氧化物陶瓷。

三元系热敏陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、Mn-Cu-Ni系、Mn-Cu-Co系等含Mn的金属氧化物。

也有不含Mn的NTC热敏陶瓷材料，如Cu-Ni系、Cu-Co-Ni系等。

这些氧化物按一定配比混合，经烧结后，性能稳定，可在空气中直接使用，现在各国生产的负温度系数热敏电阻器，绝大部分是用这类陶瓷制成的。

它们的电阻温度系数约为－1%～－6%／℃，工作温度在－60～-300℃之间，广泛用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量及时间延迟等技术领域。

2、气敏［7］常见的气敏半导体陶瓷材料无论是n型，还是P型半导瓷，其气敏特性都是由于表面物理吸附，化学吸附或物理化学吸附引起表面能态发生改变，从而导致材料电导率的变化。

气敏陶瓷可分为电导式和电话式两类。

气敏材料主要有SnO系，Fe2O3系，V20系，V205系，ZrO2系，NiO系，CoO系及稀土过度金属氧化物系，如Ln(Ni，Co)O等。

SnO气敏传感器至今仍是应用最广和性能最优的一种，对于许多可燃气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、城市煤气和天然气等都有相当高的灵敏度，并且有较高的重复性和使用寿命。

3、湿敏湿敏陶瓷是当环境温度变化导致其电性质相应变化的一类材料。

湿敏陶瓷材料大部分是利用微孔吸附水分与晶粒表面所用使电导发生变化制成湿敏传感器，利用电容量变化制成的湿敏陶瓷传感器因湿敏特性曲线的非线性变化、器件不稳定和寿命短等原因，应用范围较窄。

4、压敏压敏电阻器的特点是伏安特性呈非线性，对电压变化敏感的半导体陶瓷。

压敏电阻器的非线性伏安特性是由材料的晶界效应引起的结果，可用分立的双肖特基势垒模型等理论进行解释。

材料主晶相主要有ZnO，SiC，BaTiO3，Fe2O3，SrTiO3等。

其中BaTiO3，Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆性，而SiC，ZnO，SnO2，SrTiO3利用的是晶界的非欧姆特性。

目前，应用最广、性能最好的是ZnO压敏半导体陶瓷。

5、光敏半导体陶瓷在光的照射下，往往会引发其一些电性质的变化，由于陶瓷电特性的不同及光子能量的差异，可能产生光电导效应，也可能产生伏特效应。

利用这些效应，可以制造光敏电阻和光电池。

典型的产生光电导效应的光敏陶瓷有CdS、CdSe等。

典型的产生光伏特效应的光敏陶瓷有Cu2S—CdS、CdTe—CdS等。

三、微波介质陶瓷（MWDC）的研究与发展微波介质陶瓷是近二十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。

它是指应用于微波频率（只要是300MHZ～30GH频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。

[9]它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能，适于制造多种微波元器件，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。

随着移动通信的发展，微波介质陶瓷已成为高技术陶瓷研究的重点项目之一。

作为现代通信技术中关键基础材料的MWDC，要求相对介电常数εr高，以便于器件小型化；品质因数Q值高或解职损耗tanδ小，以保证优良的选频特性，以便用其作介质谐振器件时，器件的谐振频率的温度系数τf（τf=αε-αe，式中αe和αε分别为介质材料的线膨胀系数和介质常数的温度系数）尽可能小，从而保证器件的热稳定性。

根据相对介电常数εr的大小与使用频段的不同，[10]通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为低εr和高Q值的MWDC（主要是BaO—MgO—Ta2O5或BaO—MgO—Nb2O5，BaO—ZnO—Nb2O5系统或它们之间的复合系统MWDC材料）、中等εr和Q值的MWDC （主要是以BaTi4O9，Ba2Ti9O20和（Zr、Sn）TiO4等为基的MWDC材料）、高εr而Q 值较低的MWDC（主要有钨青铜结构BaOLn2O3—TiO2系列，复合钙钛矿CaO—Li2O—Ln2O3—TiO2系列，铅基钙钛矿系列）等三类。

四、小结功能陶瓷材料在民用军用等各个领域的广泛使用，使得它成为现代陶瓷材料中举足轻重的一员，无论从应用的广度还是市场占有率来看，在当前及以后相当一段时间内，其在现代陶瓷中仍将占据主导地位。

因此，功能陶瓷今后在性能方面会向着高教能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展。

在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方向发展。

随着功能陶瓷材料的不断创新与发展，它将越来越多地影响我们的生活。

参考文献：[1] 董显风. 功能陶瓷研究进展与发展趋势. 中国科学院院刊,2003（6）[2] 舒剑风. 铁电陶瓷的技术发展及其应用. 佛山陶瓷,2006（6）[3] 王评初. 弛豫铁电体相变研究的最新进展. 哈尔滨理工大学学报,2007,7（6）[4] 张卫珂,尹衍生,张敏,谭训彦. 无铅压电陶瓷的开发及目前研究现状. 中国陶瓷工业,2005,12（5）[5] 甘国友,严继康,孙加林,陈敬超,张家涛. 压电复合材料的现状与展望. 功能材料,2000,31（5）[6] 卢斌,孙威. 压电复合材料得研究进展. 材料导报,2005，11[7] 黄勇,陈国华. 敏感陶瓷材料的制备及展望. 佛山陶瓷,2003（3）[8] 徐翠艳,王文新,李成. 半导体陶瓷的研究现状与发展前景. 辽宁工学院学报,2005,25（4）[9] 尹雪帆,喻佑华,周川钓,艾凡荣,丁银忠. 微波介质陶瓷材料发展综述. 中国陶瓷,2006,24（2）[10] 方亮,杨卫明,鄢俊兵,张辉. 微波介质陶瓷的研究与发展现状. 武汉理工大学学报,2002,24(2)[11] 梁立梅,谭咏梅. 浅谈现代功能陶瓷的发展及应用. 内蒙古石油化工,2001,6[12] Li L T, Gui Z L. Fabrication of low—firing piezoelectric ceramics and theirapplications. Ferroelectrics, 2001,262。