材料科学前沿之功能陶瓷

1、“材料科学前沿” 功能陶瓷代建清一、引言二、功能陶瓷的研究现状三、功能陶瓷的发展趋势四、共性科学问题材料：无机材料和有机材料； 无机材料中除金属以外的材料都是无机非金属材料。1、材料科学技术的主要发展趋势： 1）材料科学技术更加注重多学科的交叉与综合； 2）材料的合成及制备科学技术得到高度重视； 3）材料表征和评价科学技术是新材料发展的重要基础； 4）材料设计与性能预测科学技术发展迅速； 5）纳米材料科学技术的发展特别引人关注； 6）向高性能、低成本和复合化、集成化、低维化、智能化方向发展； 7）新材料发展与基础和传统材料的改进、更新、提高之间相互促进； 8）材料及其制品与生态环境和生态资源的

2、协调性，与人类社会可持续发 展的关系备受重视。一、引言2、无机非金属材料： 最初只包括传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料； 随科技发展，半导体、先进结构陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶体、非晶态材料、碳素材料等也都纳入其中。1）传统无机非金属材料是国家基本建设所必须的基础材料，量大面广，其质量提升和性能改进都将产生重大的经济效益和社会效益，2）无机非金属新材料，如片式电子陶瓷元器件材料、光纤放大器材料、白光发光二极管、激光透明陶瓷、巨磁阻材料、生物医用材料等，在形成高技术产业、改造传统产业、节能和建立新能源、环保和节约资源等方面都对国民经济和社会进步发挥着重要作用。3）无机非金属材料的高硬度

3、、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐磨和优异的环保性能以及特殊的光声、电等性能，在航空航天、兵器、舰船等国防领域得到越来越多的应用，如陶瓷基复合材料、结构陶瓷、特种功能陶瓷、人工晶体、石英玻璃等已成为武器装备中不可或缺的关键材料。无机非金属材料对国防建设发挥着越来越重要的作用。 3、无机非金属材料学科的共性科学问题：l）无机非金属材料合成与制备的科学技术；2）材料设计与性能预测的理论与模型；3）材料组成和微结构表征及其与材料性质和使用性能的关联；4）材料界面和表面结构及其与材料特性和应用的关联；5）纳米材料的合成、组装、特性预测、性能调控与器件设计；6）功能材料的电子态及其与光电功能特性的关联和规律；

4、7）物性多尺度耦合机制及相关理论；8）材料缺陷及掺杂行为与物性设计；9）材料非平衡、非线性、非均匀的机制与相关理论；10）新材料、新效应、新器件、新应用中的基础问题。4、功能陶瓷材料：1）功能陶瓷是指以电、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。2）主要包括铁电、压电、介电、半导体、超导和磁性陶瓷等。大部分功能陶瓷广泛应用于电子工业，是电子信息技术中基础元器件的关键材料，占先进陶瓷工业市场份额的80%。3）功能陶瓷是电子信息、集成电路、计算机、通讯广播、自动控制、航空航天、海洋探测、激光技术、精密仪器、汽车、能源、核技术和生物医学等近代高技

5、术领域的关键材料.4）功能陶瓷的特点： 成分可控性、结构宽容性、性能多样性、应用广泛性 据功能陶瓷组成、结构的易调性和可靠性：可制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷 据功能陶瓷的能量转换和耦合特性：可制备压电、光电、热点、磁电和铁电等陶瓷 据对外场的敏感效应：可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏、电压敏和光敏等敏感陶瓷功能陶瓷材料及市场需求 铁电材料压电材料导电材料磁性材料热电材料介电材料半导体材料光电材料功能陶瓷2000 年度对新型功能器件的市场需求示意图5）电子陶瓷及元器件领域创新活跃、竞争激烈 世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新

6、设备方面投入巨资进行研究开发，每年都有大量新型功能陶瓷材料及其元器件问世。在功能陶瓷的研究和开发方面，美国和日本走在世界前列。 日本：依靠其超大规模生产和先进制备技术在世界电子陶瓷市场中 占主导地位，占有世界电子陶瓷市场60以上的份额。 美国：研究力量雄厚，在基础研究和新材料开发方面领先，其产品 侧重于高技术和军事工程，在水声、电光、光电子、红外技 术和半导体封装等领域处于优势。 韩国：近年来在电子陶瓷领域发展迅速，引人注目。1装置陶瓷1）主要包括用于电子技术、微电子技术和光电子技术中起电绝缘作用的陶瓷装置零件、陶瓷基片以及多层陶瓷封装等。2）装置陶瓷是功能陶瓷中市场份额最大的一类材料，大体上

7、约占1 / 4 以上。最常用的装置陶瓷有氧化铝陶瓷、堇青石瓷、橄榄石瓷、氧化铍瓷等。近年来一些新型绝缘陶瓷材料相继开发成功，并得到了快速发展，如高热导氮化铝陶瓷基片和低温共烧陶瓷材料已在先进陶瓷封装和陶瓷集成领域获得应用。3）近年来我国在装置陶瓷，特别是在陶瓷基片和封装材料应用开发方面取得很大进展，例如，将先进成型工艺技术引入到陶瓷基片的研究和生产中，先后开发成功流延成型的无毒料浆新体系和水系胶态注模成型新工艺，对环保和降低成本效果显著。二、功能陶瓷的研究现状2电容器陶瓷1）分为高频介质陶瓷（I 类）、铁电介质陶瓷（II类）和半导体介质陶瓷（III类）。I类陶瓷介质：主要用于制造高频电路中使用

8、的陶瓷电容器，最常用的高频电容器陶瓷材料有金红石陶瓷、钛酸钙陶瓷、镁镧钛瓷、钙钛硅瓷、锆酸盐瓷等。 II类陶瓷介质：主要用于制造低频电路中使用的陶瓷电容器，目前以改性BaTiO3陶瓷为主。 III类陶瓷电容器：又称晶界层陶瓷电容器，其表观介电常数很高，主要是半导化的SrTiO3 和BaTiO3陶瓷。2） 片式多层陶瓷电容器（MLCC）成为陶瓷电容器的主流： 随电子信息技术日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，MLCC主要用于各类军用、民用电子整机中的振荡、藕合、滤波旁路电路中，应用领域拓展到自动仪表、计算机、手机、数字家电、汽车电器等行业。 MLCC在国际电子制造业中地位越来越重要，全球ML

9、CC市场需求量，由1998年的3070亿只，增至2004年的8000 多亿只，增长速度超过20%, 2005年MLCC产品的全球市场需求高达9500亿只。 日本是MLCC的生产大国，日本的村田、TDK、太阳诱电、京瓷，韩国的三星电机，中国台湾的国巨、信昌等都是国际上著名的MLCC生产企业。 我国MLCC研究和生产起步于20世纪80年代中期，目前生产企业有20多家，但真正有生产规模的仅有广东风华等少数几个企业。3）小型化、大容量、贱金属化、高频化、集成复合化是MLCC 的主流发展技术。 贱金属化是近年来发展最快的MLCC 技术，采用贱金属内电极是降低MLCC成本的最有效途径，而实现贱金属化的关键

10、是发展高性能抗还原BaTiO3瓷料。 日本的一些企业就已经开发出此项技术，并一直保持领先。目前大容量MLCC 几乎全部实现了贱金属化。国内MLCC 贱金属化起步较晚，但近年来在高品质抗还原瓷料和相关制备技术方面都取得重要突破，为大容量薄层化贱金属内电极MLCC 提供了关键材料与技术。3铁电压电陶瓷1）铁电陶瓷的基本特征是具有铁电性，即自发极化，且自发极化随外电场而转向，是高比容电容器的最佳介质材料。 目前BaTiO3陶瓷已广泛应用于多层陶瓷电容器、厚膜和薄膜电容器等。 利用铁电体所拥有的极化反转特性，发展了具有广阔应用前景的铁电薄膜存储器和各种电光器件； 经极化处理的铁电陶瓷所表现出优异的压电

11、和热释电性能，据此发展了各种压电陶瓷驱动器、传感器，在现代先进机电系统中有重要的应用前景。 2）弛豫铁电体：某些具有复合钙钛矿结构的铁电体表现出不同于通常铁电体的介电特性，即具有扩散相变和频率弥散特性，这类铁电体通常称为弛豫铁电体。 弛豫铁电单晶和陶瓷具有优异的介电、铁电和压电性能，是重要的MLCC 介质、压电和电致伸缩材料。典型弛豫铁电体有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3等。 近年来在铁电材料研究中取得的一个重大进展是大尺寸弛豫铁电单晶材料的制备及其异常高的压电性能的发现。3）压电陶瓷作为一种重要的换能材料，以其优良的机电藕合效应得到广泛应用。 应用领域涵盖

12、电子信息、机电换能、自动控制以及微机电系统，包括压电振子、压电换能器、压电滤波器、高压发生器和压电驱动器等在内的种类繁多的压电陶瓷器件。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15左右的速度增长，2000 年全球压电陶瓷产品销售额约达30 亿美元以上。随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，压电陶瓷器件也在向片式化、多层化和微型化方向发展。近年来，包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波（SAW）器件等一些新型压电陶瓷器件不断研制成功，并得到应用。4微波介质陶瓷1）微波介质陶瓷是指适合于

13、微波频段应用的低损耗、温度稳定型电介质陶瓷材料 是移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网 (WLAN）等现代微波通信的关键材料。 广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板。 由微波介质陶瓷构成的谐振器、滤波器及振荡器等元器件，在很大程度上决定了微波通信最终产品的性能、成本与尺寸极限。2） 微波介质陶瓷的主要性能要求是：适当的介电常数、高Q 值（低介电损耗）和近零谐振温度系数f。根据其性能与用途，微波介质陶瓷可分为五类： 超低损耗类。主要是钡基复合钙钛矿陶瓷，其性能指标为=2030，在10GHz时，Q 20000，-510-6 f 5

14、000，-1010-6 f 1010-6 /，主要用于卫星通信及移动通信基站。高介电常数类。BaO-Ln2O3-TiO2基材料，Ln = La、Nd、Sm，其性能指标为80，在1GHz 时，Q = 5 00010 000，-1010-6 f 20 000，-5106 f 5106 /，主要用于微波基板及高端微波元件。 非线性类。目前有电场可调或称频率捷变微波介质陶瓷，其材料体系有（Ba,Sr)TiO3 等，主要用于可调谐振器、移相器以及可调微波电容器等。非线性微波介质陶瓷的性能要求与线性材料略有不同，对前者主要性能要求有：高调谐率 =(E) - (0)/(0)、低损耗与良好的温度稳定性。3）目

15、前日本在微波介质陶瓷领域处于明显优势，随第三代移动通信与数据微波通信的发展，美、日、欧均在调整这一高技术领域的发展战略。美国将战略重点置于非线性微波介质陶瓷与高介电常数微波介质陶瓷方面；欧洲着重于固定频率谐振器用材料；日本则利用其产业化的优势正在大力推进微波介质陶瓷的标准化与高品质化；韩国近年来在该领域发展也十分迅速。我国在高介电常数微波介质陶瓷的低损耗化、低介电常数微波介质陶瓷新体系以及低温烧结微波介质陶瓷等方面有一定优势，并逐渐形成研究特色，但在微波介质陶瓷及器件的产司业化规模和技术水平方面与国外相比有较大差距。微波介质陶瓷 谐振器件 介质波导 微波天线 微波滤波器 介质基片 介质电容器5

16、半导体陶瓷1）半导体陶瓷是一类能将力、热、声、光、电、湿、气等物理量转化为电信号的信息功能陶瓷材料是集固体电子学、材料学、结晶化学、半导体物理学等为一体的交叉性学科，是20 世纪7080年代逐渐发展起来的新兴学科。主要包括正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和压敏电阻材料，以及气敏、湿敏等材料。 其中热敏陶瓷和压敏陶瓷的产量和产值最高。热敏电阻陶瓷材料及器件在国际上以美国VISHAY ，德国EPCOS，日本村田、TDK、石冢、芝浦、三菱等公司的技术最先进，产量最大，他们的年产量约占世界总量的6080%，其产品质量好，但价格高。2）热敏电阻器向高性能、高可靠、高精度、片式化

17、和规模化方向发展 适用高亮度、大屏幕彩电、彩显需要的消磁电路用PTC，正向高电压、低电阻方向发展。日本村田和三菱等公司的片式热敏电阻器已规模化生产，片式NTC和片式PTC 的最小尺寸规格已达0402和0201。 目前我国热敏电阻器的生产厂家有40 余家，但生产技术和规模与国外厂家相比有较大差距。6超导陶瓷1）超导材料在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防军工、大型科学工程等方面有重要的应用价值和开发前景。全球超导材料市场需求达30 多亿美元，预计2020 年全世界超导材料应用市场达2400 亿美元。2）1986 年，IBM 瑞士苏黎世研究院的Mller 和Bednorz 报道了在La-B

18、a-Cu-O化合物中观察到30K 以上超导转变的历史性发现，揭开了席卷全球的高温超导热潮，他们因此荣获1987年度诺贝尔物理学奖。目前，氧化物超导体的转变温度已经高达130K 以上。3) 国际上关于超导电性的研究和应用开发向纵深发展：深入发展高温超导物理研究、高温超导薄膜技术、超导结技术和微加工技术的基础上，高温超导在科学仪器、通信技术、军用电子学、医疗仪器等方面的应用将会在10年左右时期内有一定规模的发展。高温超导电性的微观机理和高温超导体的超导物理为中心的基础研究正在迅速深入，科学问题的深化和科学内容的丰富非常引人注目。今后10 年左右将是高温超导电性的基础研究取得突破、高温超导技术真正走

19、向实用化和产品化的关键时期。4)我国从20世纪60年代起开始超导研究，在80年代中期国际上高温超导材料的重大突破中，我国科学家起了重要作用。目前，我国的超导应用基础研究、加工和组织控制在世界上有一定地位。 在NbTi 、Nb3Sn 低温超导材料的研究和开发方面，在国际超导界享有较高声誉。 在Y系、Bi系高温超导材料与MgB2新型超导材料，Bi 系银套管制缆，量子干涉器件研制，大面积双面高温超导薄膜和微波技术应用以及Y系单畴块材等方面与国际先进水平相近。 基础研究方面，我国在新材料探索、材料结构特征化、磁通动力学和实用成材新技术的探索等方而也有一些在国际上有影响的成果。工艺技术的成熟程度，向工业

20、规模化逼近的程度等方面与国外有较大差距。7磁性陶瓷1)磁性陶瓷一般是由铁和其他一种或多种金属元素复合而成的氧化物，通常称为铁氧体，是具有亚铁磁性的无机非金属磁性材料。2)铁氧体是磁性材料中应用最广泛的一个分支： 对磁性陶瓷的大规模研究是在第二次世界大战以后开展起来的。人们发现电感线圈铁氧体磁性材料最重要的性能与损耗角和磁导率直接相关，这一发现直接导致了Mn-Zn 铁氧体材料的发展。该材料具有高磁导率的同时又有低损耗因子，相关研究奠定了铁氧体科学和工艺学的基础，并由此而诞生了一个新兴产业。 先后开发出多种软磁高频低功耗、软磁高磁导率、永磁、抗电磁干扰铁氧体材料及元件，利用这些材料制作的电感器、滤

21、波器、扼流圈、宽带变压器和脉冲变压器，广泛用于数字技术和光纤通信等高新技术领域。 利用微波铁氧体独特的旋磁特性制造的非互易性微波器件，如环行器、隔离器、振荡器和移相器，在现代通信系统中发挥着不可替代的重要作用。 采用多层陶瓷技术发展起来的叠层片式电感也已成为重要的片式元件，广泛用于计算机、数字电视、手机、无线电话等电子终端设备。3)我在20世纪50年代开始进行磁性陶瓷的科学与技术研究，在永磁、磁记录、矩磁、旋磁（微波）、磁泡、磁光材料等方面均有长足发展。 利用高温高氧压技术和温度梯度定向凝固方法成功地生长出Mn-Zn 体系铁氧体单晶；利用热压和热等静压烧结技术获得了Mn-Zn 和Ni-Zn 系

22、列铁氧体高密度磁头材料，并对其性能进行了深入细致的研究。在对石榴石型Y-La 系列铁氧体的磁性、铁磁共振及其频率的系统研究，石榴石型铁氧体磁泡材料的制备、磁畴图样和布洛赫磁畴壁的稳定性研究，以及Mg-Mn体系铁氧体微波性能的改进等方面都做出了卓有成效的研究工作。磁学基本问题的研究中，如通过对微波铁氧体铁磁共振弛豫理论、磁亚点阵等微观结构的研究，提出了新的学术观点。我国的磁性陶瓷产业发展迅猛，铁氧体磁性材料的生产方面位于世界前列。8其他功能陶瓷1）如快离子导电陶瓷、生物陶瓷、远红外陶瓷、多功能复相陶瓷、梯度功能陶瓷、透明陶瓷、陶瓷光子晶体、微介孔陶瓷材料等。2）具有离子导电特性的陶瓷称为离子导电

23、陶瓷，可以应用在固态电池、传感器等方面。 快离子导电陶瓷通常要求其离子电导率大于10-2 S / cm ，且电子电导很小，电导活化能应小于0.5 eV 。 目前比较引人注目的快离子导电陶瓷主要有稳定ZrO2、-A12O3、nasicon 以及CeO2基固溶体等陶瓷。 导电陶瓷材料在具有清洁、高效特点的燃料电池，新型能源部件以及功能独特的电色玻璃等先进技术领域发挥着越来越重要的作用。3）生物陶瓷是具有特殊生理行为和功能的一类陶瓷材料，可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分，甚至有望部分或整体地修复或替代人体的某些组织。最重要的特性是与人体组织的生物相容性。 生物陶瓷分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，前

24、者主要有氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷等，后者主要有磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。 生物陶瓷材料的基础研究和应用开发相当活跃，已有多种生物陶瓷材料及部件获得了临床应用。9、小结：1）功能陶瓷材料的各个分支都得到了快速发展，开始从经验式的探索逐步走向按所需性能进行材料设计。凝聚态物理学、固态化学、纳米科学等基础学科所取得的研究成就对功能陶瓷的发展起到了推动作用；高活性纳米粉体的应用以及纳米烧结动力学的建立为功能陶瓷的微结构调制和性能优化奠定了基础；功能陶瓷的研究已开始深入到介于宏观与原子尺度之间的纳米层次，纳米功能陶瓷的研究和开发将使陶瓷工艺、烧结理论、性能和应用包含更新的科学内涵。2）我国在功

25、能陶瓷材料的基础研究与产业化方面的发展： 在功能陶瓷的各重要分支已经形成了比较稳定的研究格局。在电容器陶瓷、铁电压电陶瓷、微波介质陶瓷、半导体陶瓷、导电陶瓷、高温超导陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、纳米陶瓷、复相陶瓷、多功能复合陶瓷、陶瓷薄膜等方面均有一批研究工作进入国际前沿。 功能陶瓷基础研究方面：在纳米亚微米晶功能陶瓷的烧结动力学原理和微结构控制、弛豫铁电体相变本质的认识和微结构研究、多层多相复合功能陶瓷的共烧动力学行为与机制、多功能复合陶瓷的多场耦合效应、低维铁电材料的畴结构观测和尺度限制等方面均取得了重要研究成果。 研制成功了一大批具有自主知识产权的新型功能陶瓷材料和元器件，以及新的制备技术

26、： 高纯高活性纳米粉体的合成、纳米亚微米晶陶瓷的制备和微结构控制技术、BaTiO3陶瓷的抗还原特性和高温缺陷化学原理等研究工作成果显著，成功研制一批高性能贱金属内电极（BME）多层陶瓷电容器（MLCC）陶瓷材料和高介高稳定性MLCC介质瓷料，突破了新一代高性能BME MLCC薄层化、微型化关键技术，开发出若干种性能指标达国际先进水平的新型高性能多层陶瓷电容器，为我国多层陶瓷电容器向高性能、高比容、低成本为主要特征的贱金属多层陶瓷电容器的升级换代提供了关键材料和技术。 高性能压电陶瓷的低温烧结研究取得突破，通过过渡液相烧结机制的应用基础研究，研制成功主要性能指标处于国际领先水平的低烧和高性能兼优

27、的新型压电陶瓷材料，基于该材料研制成功的多层压电陶瓷变压器已实现规模生产，并在液晶显示背光电源等方面获得广泛应用。 低温烧结铁氧体片式电感材料研究取得突破性进展，通过纳米粉体的合成和低温烧结动力学的基础研究，研制成功几类低烧和高性能兼优的片式电感材料，其主要性能指标达国际领先或先进水平，为我国新型片式电感类元件的发展奠定了基础。 高温超导陶瓷的制备和应用开发研究成果显著，率先突破了超导陶瓷超长线材的制备技术，使我国迈入高温超导线材产业化技术的国际先进行列，研制成功了高性能超导陶瓷滤波器系统，开始在CDMA 移动通信基站试用。 总体来看，我国的信息技术产业，特别是一些具有高附加价值、高技术含量的

28、新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距，不少高端产品在相当大的程度上为外资所控制。国外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来进入中国市场，占据了国内片式元器件，特别是高档片式元器件相当大的市场份额。我国对信息功能陶瓷材料的共性、关键性的基础研究相对薄弱，原创性的工作较少，尤其在新一代信息功能陶瓷材料的前沿性领域，基础研究工作亟待加强。1 、总体发展趋势l）小型化微型化: 随着移动通信和卫星通信尤其是近两年来蓝牙、WAP 、GPS 等技术的迅速发展，在硬件上对器件小型化微型化的要求越来越迫切; 电子元器件，特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源器

29、件是实现整机小型化微型化的主要“瓶颈”; 小型化微型化（包括片式化）是目前元器件研究开发的一个重要目标, 实现小型化微型化的基础在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺。2）高频化与频率系列化: 数字化技术的核心是将各种信息变成脉冲编码信号，为了获得足够的带宽和处理速度，要求较高的工作频率。目前商品化的CPU 时钟频率最高可达23 GHz 。移动通信所使用的频率也在不断升高：以模拟信号的调制为主要特征的第一代移动通信所用的频段在800900 MHz ，以数字信号为主要特征的第二代移动通信所用的频段则为900 MHz1.8 GHz ，目前正在研究的第三代移动通信系统的使用频率则在2

30、GHz 左右。 适应高的工作频率对各类电子元器件中的陶瓷材料来说是一个严峻的挑战。寻找具有良好高频特性以及系列化工作频率的功能陶瓷材料是目前新型电子元器件领域的一个研究热点。三、功能陶瓷的发展趋势3）集成化模块化: 适应电子产品小型化和满足高频电路要求的一个途径是将分立的陶瓷元件集成化以及进一步的模块化。 越来越多的集成陶瓷元件已被研制出来，如集成若干个高介陶瓷电容器和电感器的LC 滤波器，集成若干个陶瓷电阻器、电容器和电感器的LCR 组件（感容式电阻）等。 作为实现集成化模块化这一问题的基础是异质材料的匹配共烧、化学兼容性和不同功能耦合与界面行为的相关性。4）多功能化: 具有电、磁、光、热、

31、机耦合行为的新型多功能陶瓷材料及其耦合机制的研究日益为研究者所重视。5）高稳定性: 电子陶瓷元器件往往需要在不同外场环境（如不同温度、电磁场以及机械振动）条件下工作，要求元器件对上述条件的变化有高的稳定性。 器件的稳定性归根到底是陶瓷材料的稳定性，探索电子陶瓷材料的高稳定性以及服役行为是追求的一个重要目标。2功能纳米陶瓷材料及新型纳米陶瓷器件1）发展趋势：功能纳米陶瓷材料和纳米技术涉及纳米粉体、纳米添加剂、纳米复合以及陶瓷晶粒的纳米化 随着电子信息技术日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，使陶瓷元器件小型化、多层化、片式化、集成化和多功能化成为这一领域的发展趋势。元器件的微型化和介质薄层化发

32、展趋势必然促使相关的功能陶瓷材料走向晶粒微细化和纳米化。因此，功能材料纳米化、纳米陶瓷、纳米器件是信息陶瓷元器件发展的必然趋势，正成为国际研究的热点。 纳米晶陶瓷发展的一个重要的推动力来自功能陶瓷技术与半导体技术的集成化。面向铁电存储、红外探测、微波调谐、激光调制和微机电系统（MEMS ) 应用的铁电和压电陶瓷的薄膜化成为当前功能陶瓷领域最重要的研究方向之一，在半导体工艺和铁电材料工艺基础上发展起来的集成铁电学已发展成为电介质物理学重要的分支。铁电集成的核心是铁电压电陶瓷的薄膜化。薄膜化功能陶瓷的特征是在尺度上的纳米化。 功能陶瓷的纳米化是电子元器件微型化和集成化发展的必由之路，世界各国对纳米

33、功能陶瓷的研究和开发也给子了高度重视。2）重要科学问题 (1）新型纳米晶信息功能陶瓷材料的制备科学 信息功能陶瓷纳米微粉的新的制备方法和原理； 功能陶瓷低维材料的制备技术和控制原理； 纳米晶陶瓷致密块体材料制备的控制烧结技术与烧结动力学。 (2）纳米晶信息功能陶瓷微结构、尺寸效应与外场响应机制的基础问题 纳米尺寸下功能陶瓷微结构特性、结构控制与界面效应； 纳米晶铁性材料的畴结构控制、尺寸限制和外场响应； 纳米晶信息功能陶瓷的多场和强场响应与调制。 (3）纳米晶复相陶瓷、有机无机纳米复合功能材料等多层次复合材料的结构设计、制备科学与功能效应。 (4）纳米晶信息功能陶瓷与微电子器件集成的基础科学问

34、题 (5）纳米晶陶瓷材料的结构与性能优化设计和模拟计算3铁电压电陶瓷材料及新型元器件l）发展趋势：压电器件的小型化、片式化、薄膜化和集成化成为压电陶瓷器件研究的新热点；研究在各种苛刻环境（如深海、太空等）下工作的新型压电器件 20世纪70 年代初提出的准同型相界(MPB)概念对于压电陶瓷材料的研究和应用开发发挥了重要的作用，近年来对压电陶瓷准同型相界的特征和本质又有了新的认识。理论和实验两方面的进展极大地推动了对在准同型相界附近钙钛矿结构弛豫铁电材料电场诱导相变和电畴组态变化过程的研究，期望能为设计和制造更好的陶瓷和单晶材料提供更多的理论指导。 近年来材料研究中取得的另一个重大进展是大尺寸弛像

35、铁电单晶材料的制备及其异常压电性能的发现。对于钙钛矿结构的弛豫铁电体与普通铁电体固溶组成的材料在MPB 的结构变化、相组成、畴结构的工程化调控应该是当前研究工作的重点，在理论上和应用背景上都有重要意义。 压电陶瓷的无铅化。发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷具有重大实用意义，但至今还没有能找到和PZT 的性能相比较的材料。Saito 等在Nature上发表文章，说明通过掺少量的Li、Ta、Sb后通过（K，Na) NbO3 为基陶瓷的准同型相界组成区域的变化，并经织构化处理，最好试样的性能已可与PZT 相比较。 压电陶瓷器件使用条件的要求变得越来越苛刻。PZT 陶瓷的实际使用温度上限约为1/2

36、TC ，即低于170180 ，限制了它在高温领域的应用。因此，探求高温、高性能压电陶瓷材料将是铁电压电陶瓷研究的重要课题。铁电疲劳一直是铁电学领域研究的热点课题。对铁电陶瓷的场致疲劳的研究，不仅对于铁电材料和器件的应用具有实际意义，同时可以加深对强场下铁电极化反转、电畴结构演变、缺陷影响机制和非线性根源等科学问题的认识。铁电厚膜和薄膜的应用2）重要科学问题 铁电压电陶瓷的先进制备科学 铁电压电陶瓷的低温烧结与微结构控制基础； 高性能压电陶瓷薄膜和厚膜的先进制备及集成化技术基础； 无铅压电陶瓷材料新体系及其织构化制备科学； 高居里点铁电压电陶瓷材料新体系。铁电压电陶瓷的微结构调制与外场响应 压电

37、陶瓷准同型相界的结构特征与机电响应本质； 压电陶瓷的电畴结构特征与畴结构工程化调制。铁电压电陶瓷的结构变异与多场强场响应 多场（电场、应力和温度场）耦合作用下铁电压电陶瓷机电性能的非线性响应与畴结构演变； 铁电压电陶瓷与器件的场致疲劳与失效。 铁电复相陶瓷材料的多功能化与多场耦合效应4微波介质陶瓷材料1）发展趋势 具有实用价值的代表性材料体系主要有：Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶体（Ln = La，Nd, Sm）、BaTi4O9、Ba2Ti9O20、( Zr , Sn ) TiO4、 Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba (Mg1/3Ta2/3)O3、CaTiO3-MgTiO3

38、 、Al2O3以及(Sr, Ba)TiO3等。这些材料目前难以完全适应现代微波通信技术对微波介质陶瓷越来越高的要求，并且上述材料体系中尚有若干重要基础问题并未得到解决。此外，虽有不少关于改性Pb(B,B)O3 陶瓷以及LnAlO3 陶瓷( Ln La , Nd , Sm）的基础研究，但前者存在严重的环境问题，且综合性能无法超过Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶体，而后者综合性能难以与BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr, Sn)TiO4、Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba (Mg1/3Ta2/3)O3等相比。 有关微波介质陶瓷的基础研究还很不够，采用传统电介质理论难以解释超

39、高频下（主要在微波频段）介质的高介电常数、低介电损耗和小温度系数，尚不能很好地指导现有材料的改性和新材料的开发，具体表现在：普适的微波介质极化理论有待建立； 对于微波陶瓷的介质损耗和改善机制缺乏深入认识；介电温度特性的调节机制尚需深入研究；一些微波陶瓷材料新体系缺乏必要的热力学数据和相平衡图。2）重要科学问题 Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶体的低损耗化（高Q 值化）与高介电常数化； 中介电常数微波介质陶瓷新材料（5070 ）探索； 低介电常数微波介质陶瓷的超低损耗化； 低温烧结微波介质陶瓷； 高调谐率、低损耗、高稳定性作线性介电薄膜； 各类典型材料的本征和非本征微波损耗与其结构及

40、微结构敏感性。5半导体敏感陶瓷材料1）发展趋势 (1）揭示半导体陶瓷材料的缺陷模型、能带结构、导电机理等之间的内在联系，发展相关固体电子学研究方法。(2）深入研究半导体陶瓷晶界的化学物理结构、载流子分布、势垒模型、复合介质特性及其与宏观电学性能的关系等，探索晶界效应起源及相关理论。(3）深入研究陶瓷的半导体化机理及与经典半导体物理理论的联系和差别、研究高温下杂质扩散的动力学过程及其与材料半导体化之间的内在联系，此外还包括对多位取代的半导化机制的研究。 (4）研究半导体陶瓷材料中载流子的复合规律，以期设计出性能独特的新材料体系。(5）半导体陶瓷的薄膜化技术成为本学科研究的重要组成部分，也是实现与

41、半导体工艺兼容进而达到集成的必由之路。2）重要科学问题 (l）半导体陶瓷中离子缺陷和电子缺陷随温度、氧分压的变化规律，缺陷模型与载流子迁移及导电机理之间的内在联系； (2）晶界势垒效应的起源及与载流子在晶界聚散状态的关系； (3）高施、受主掺杂、多位取代、居里点移动等改性理论及半导化机理，载流子迁移与晶格及晶界散射的作用原理和规律； (4）多元多相复合半导体陶瓷的非同类载流子补偿机制、非连续电导原理，微观异质结的作用机构及与材料宏观电学性能的关系，多元非固溶相离子交换机制及载流子迁移规律； (5）力、热、声、光、电、湿、气等半导体敏感陶瓷的敏感机理、能带结构及激发机制；(6）半导体陶瓷薄膜中陶

42、瓷-硅单晶界面，金属-半导体陶瓷界面的表面、界面效应；纳米薄膜与粉体理论、铁电陶瓷薄膜外延生长理论；新一代sol-gel技术、外延生长陶瓷薄膜技术、硅兼容技术及阵列化技术中的基础问题。6功能陶瓷的集成化与集成陶瓷系统1）发展趋势 功能陶瓷的复合化和集成化是功能陶瓷元器件向片式化、模块化、多功能化、高频化、高可靠和低功耗发展的必然趋势。 集成化功能陶瓷元器件是以低温共烧陶瓷（LTCC）为平台，采用多层陶瓷技术将电容、电感和电阻材料以嵌入的方式集成在陶瓷基板中，形成无源集成陶瓷器件。移动通信、微波通信、数字电视、高速计算机、蓝牙技术、宽带网络等高技术发展成为21 世纪科技进步的重要标志，其中多层复

43、合功能陶瓷元器件起着非常重要的作用。手机和笔记本电脑进一步向便捷化、多功能化、全数字化、高集成化及低成本方向发展，极大地推动了电子元器件的片式化、小型化、低成本及器件组合化和功能集成化。目前每个手机中约有250300个无源电子元件，因此无源电子元件的小型化对手机产品的轻便化起决定性作用。巨大的市场需求极大地推动了无源电子陶瓷片式元件的小型化进程，片式电阻、片式电容、片式电感的尺寸已由原先的1206 和0805 产品，发展到以0603 和0402 为主流产品，并进而向0201 和01005 发展。 基于低温共烧陶瓷（LTCC）的多层陶瓷技术近年来发展迅速，极大推动了功能陶瓷元器件的集成化进程。L

44、TCC将发展成为功能集成和陶瓷微系统技术（MST）的重要平台，在通信技术、微机电系统和生命科学中将发挥重要作用。2 ）重要科学问题 低温烧结和高性能兼优的LTCC 新材料研究的基础问题； 高密度超薄陶瓷膜片的低成本流延制备技术的科学基础； 复杂结构陶瓷器件内电极的形成与通联技术的科学基础； 异质材料的共烧致密化行为、调控机制与兼容性的基础问题； 集成陶瓷系统的设计原理和性能评价中的科学问题。多层功能陶瓷元件发展趋势分离式片式陶瓷元件复合化片式陶瓷元器件集成陶瓷系统片式多层电容（MLCC）片式叠层电感（MLCI）片式电阻（压敏、PTC、NTC）片式多层压电陶瓷器件（变压器、驱动器）片式多层微波器

45、件片式多层LC滤波器片式RC组件片式LCR组件片式 Z 模块L、C、R埋入式多层LTCC集成模块高性能、低成本PbPdAgAg-PdNiCuNon reducible dielectricsLow fireInjectionFiring in AirIn H2/N2高性能片式电子元件片式天线片式电阻片式电感片式电容片式滤波器片式驱动器片式换能器片式变压器片式压敏电阻片式热敏电阻片式元件多层陶瓷技术 端电极 内电极介电材料多层片式电感(MLCI)示意图内电极 磁性（介电）多层片式电容(MLCC)内部结构多层片式电感(MLCI) 内部结构多层压电陶瓷变压器输入输入输出接地外形尺寸： 25mm X

46、9mm，输入电压 220VAC，输出电压 5-10V多层压电陶瓷变压器 (降压型)输入输入输出发生器发生器7高温超导材料1）发展趋势 各类微结构和非均匀性的特征和生成机理、晶界的形成及控制； 高温超导电性与材料在纳米尺度上的微结构及本征不均匀性的关系，纳米尺度上材料特征的检测和分析的原理和手段； 超导薄膜和单晶的成长规律； 实用成材技术工艺与关键性能的关系。2）重要科学问题(1）超导材料的晶体结构、相关系及各类微结构对超导电性的影响规律： 超导材料成相的化学、物理过程以及与工艺过程的关系； 组分、非均匀性和各类微结构（晶界、表面、界而、第二相等）对超导电性的影响； 纳米尺度下各类微结构和非均匀

47、性技术，氧化物超导材料中各类小尺度的本征电子非均匀性以及晶界对超导机理和超导载流能力的影响。(2）超导薄膜和单晶生长的材料科学基础： 超导薄膜的生长规律和成膜过程、各类微结构及其非均匀性、膜与衬底的界面结构以及它们与薄膜性能的关系； 大面积薄膜、双面膜和多层膜生长技术中的基础科学问题； 全钙钛矿外延异质结的制备、微结构、自旋极化注入、隧道效应、界面状态、晶格失配、绝缘层的介电性能等对物性的影响以及相关器件的基本物理问题。(3）超导材料实用成材技术的科学基础： 带材和缆材成材技术，单畴块材、薄膜和结的制备技术中的材料科学和材料工艺学的基础性问题。8新型磁性陶瓷材料l）发展趋势自旋电子学的兴起和巨

48、磁电阻效应：20 世纪80 年代末，国际上发展了一门新型学科自旋电子学，是研究自旋极化电子的输运新特性以及新器件的学科。在过去10几年中，美、日和欧洲一些先进工业国家对自旋电子材料展开了大规模研究和器件应用的转化，并在以计算机为代表的信息产业中取得了惊人的成绩。 1988 年法国科学家Fert发现巨磁电阻效应（GMR）后，它以不可思议的速度进入商业应用，计算机信息存储技术进入了GMR 时代。计算机硬盘在使用GMR 读出头后，其记录密度从60 Mbit / in2 发展到l00 Gbit / in2 ，提高近1600 倍。超巨磁电阻效应： 1993 年人们在镧系锰氧化物中发现了惊人的超巨磁电阻效

49、应（CMR ) ，高达127 500 % ，引起全世界的关注。 多种相互作用的竞争产生了各种奇特的物理效应，如超大压阻效应、超大磁致伸缩效应、超大磁电阻记忆效应、磁场诱导的结构相变、超大磁熵变化等。 CMR效应在光电开关、磁记录、读出磁头、磁电阻式随机记忆体等诸多方面应用前景广阔。CMR材料的高电子自旋极化率（90 以上）预示其将成为构造高效率磁隧道结的理想材料。 CMR 效应的产生伴随着磁性结构的变化，对CMR 机理的探索虽然提出了各种理论解释，但对材料的磁相互作用、相分离、有序无序转变、金属绝缘体转变等之间的内在联系还没有一个清楚的认识。 对CMR 机制的正确认识必将能大大推动材料科学、物

50、理学以及其他学科的发展，并为这类材料的实际应用找到新的突破口。 多铁性体由于同时具有铁电性和铁磁性以及磁电之问的耦合，在多态信息存储器件、新型的记忆介质等方面具有广阔的应用前景。从原子、介观和微观等不同尺度对铁电磁体和人工铁电铁磁结构材料中的铁电磁性耦合及其物理效应进行实验与理论研究，有利于深入揭示多铁性以及相关过程的物理本质，为新材料、新器件的设计开发提供理论依据。利用氧化物材料结构上的相似、性质上的差异以及多种自由度共存与激烈竞争等特点，构造氧化物超晶格和多层膜，可为多铁电性材料和物理过程设计，为新物理现象、规律的发现提供广阔的空间。2）重要科学问题(l）信息存储铁氧体材料的制备科学问题

51、高质量铁氧体单晶和薄膜材料以及纳米铁氧体微粉材料的制备科学，以期获得更高的磁记录密度。(2）自旋电子学的材料科学基础 围绕当前国际上自旋电子材料和自旋电子输运研究的重大科学问题，开展诸如隧道结材料、巨磁电阻材料、铁磁反铁磁耦合材料、铁磁半导体异质结等功能特性的研究，探索高自旋极化率材料，促进自旋电子材料的物理和器件研制特别是磁随机存储器（MRAM）的发展。(3）磁性纳米结构的材料科学 研究结构均匀有序、性能稳定优良的自旋电子材料及结构单元的制备科学；研究磁性多层结构中自旋相关输运的静态和动态测量技术手段。(4）铁磁半导体中的自旋工程科学 以实现在半导体材料中将自旋极化电子电流放大为目标，研究极

52、化电子注人半导体二维电子气材料的制备技术；通过材料设计，探索控制肖特基势垒的技术手段；研究自旋电子在铁磁半导体异质结构传导过程中的自旋积累、自旋注入、自旋相关界面散射和自旋转移效应；探索具有应用前景的铁磁/半导体异质结构的功能新材料。(5）多铁性体材料的科学基础与制备科学 在原子、介观和微观等不同尺度上，对铁电磁体和人工铁电铁磁结构材料中的铁电磁性耦合及其物理效应进行实验和理论研究，在分子甚至原子层次上进行新材料设计，构造氧化物超晶格、异质结结构和多层膜。(6）平面化微波铁氧体器件的制备科学问题 针对微波铁氧体器件（如隔离器、环行器、相移器等）的平面化和集成化，研究包括微波铁氧体薄膜、厚膜的制

53、备科学及集成化关键基础问题。四、功能陶瓷的共性科学问题1制备科学问题 (l）高纯高活性功能陶瓷粉体的先进合成技术基础；(2）亚微米纳米晶功能陶瓷材料的制备科学与控制烧结技术原理；(3）功能陶瓷低维材料（纳米线和纳米管状材料、薄膜、厚膜等）的制备技术和控制原理；(4）功能陶瓷的低烧与共烧原理与技术基础；(5）超薄层微型多层陶瓷元件的制备技术基础；(6）功能陶瓷与器件的低成本绿色制造技术基础；(7）三维自动成型集成功能陶瓷制备技术基础。2物理化学问题(l）功能陶瓷的晶界界面效应、畴结构与小尺度限制的科学问题；(2）半导体陶瓷的缺陷结构与缺陷化学原理；(3）功能陶瓷多元体系相图的计算与实验测定；(4

54、）异质材料的界面扩散机制与扩散动力学原理；(5）复相材料的致密化行为与烧结动力学；(6）陶瓷薄膜和厚膜的约束烧结动力学原理；(7）功能陶瓷的纳米烧结动力学原理。3外场响应问题( 1 ）复相功能陶瓷的多功能化与多场耦合效应机理；( 2 ）非均质材料中电磁场的分布及其对功能的影响机制；( 3 ）功能陶瓷的电磁非线性响应特性与机制；( 4 ）强场下功能陶瓷的结构变异及其对功能的影响机制；( 5 ）铁性材料的畴结构特征与畴结构工程化调制；( 6 ）外场作用下铁性材料中畴结构的演变规律和机制；( 7 ）功能材料的输运特性及其对外场的响应机制。4器件设计与性能预测理论基础( l ）多层陶瓷元器件的老化、疲

55、劳和失效机理与评价方法；( 2 ）功能陶瓷器件的无损检测理论与方法；( 3 ）新型功能陶瓷器件中的计算仿真与设计原理与方法。思考题1、试述功能陶瓷领域的总体发展趋势。2、功能纳米陶瓷材料及新型纳米陶瓷器件的发展趋势是什么？3、何谓功能陶瓷的集成化与集成陶瓷系统。4、功能陶瓷的共性科学问题有哪些？第三章 金属的电化学腐蚀3.1 腐蚀原电池3.2 电极与电极电位3.3 极化3.4 去极化3.5 腐蚀极化图3.6 金属的钝化第三章 金属的电化学腐蚀3.7 塔菲尔关系3.8 能斯特方程3.9 本章主要概念3.10 本章主要内容3.5 腐蚀极化图一、伊文思（Evans）极化图二、腐蚀电流三、腐蚀控制因素

56、3.5 腐蚀极化图伊文思（Evans）极化图不考虑电位随电流变化细节，将两个电极反应所对应的阴极、阳极极化曲线简化成直线画在一张图上，这种简化了的图称为伊文思极化图3.5 腐蚀极化图伊文思（Evans）极化图在一个均相的腐蚀电极上，如果只进行两个电极反应，则金属阳极溶解的电流强度一定等于阴极还原反应的电流强度在实验室里，一般用外加电流测定阴、阳极极化曲线来绘制伊文思极化图3.5 腐蚀极化图伊文思（Evans）腐蚀图AB阳极极化曲线 BC阴极极化曲线 OG欧姆电位降 CH欧姆、阴极极化总线阳极极化率Pa=tg 阴极极化率Pc=tg3.5 腐蚀极化图伊文思（Evans）腐蚀图考虑欧姆压降，腐蚀电流

57、为I，阳极极化的电位降：Ea= E a E0a=I tg= I Pa 阴极极化的电位降： Ec= E c E0c=I tg = I Pc 欧姆压降： Er= I R 腐蚀电池总压降： E0c -E0a = I （ Pa+Pc+ R） 腐蚀电流：3.5 腐蚀极化图腐蚀控制因素1）初始电位差与腐蚀电流的关系2）极化率与腐蚀电流的关系3）氢过电位与腐蚀速度的关系阴极析氢过电位： 阴极电极材料 表面状态 不同金属表面上氢过电位不同。 3.5 腐蚀极化图腐蚀控制因素1）虽然锌的氢过电位比较铁的电位负，但由于氢过电位高，锌在还原性酸溶液中的腐蚀速度反而比铁小；2）如果在溶液中加入少量的Pt盐，由于氢在析出

58、的铂上的过电位比锌、铁 都低，所以铁和锌的腐蚀速度都明显增加。 3.6 金属的钝化钝化现象1）实际情况中，一些较活泼的金属在某些特定的环境介质中，都具有较好的耐蚀性。2）Fe在不同浓度的硝酸中的腐蚀 w 40：硝酸浓度上升，腐蚀速率突然 急剧降低钝化 w80：腐蚀速率又增加，过钝化3.6 金属的钝化钝化现象1）金属或合金在某种条件下，由活化态转为钝态的过程称为钝化。 金属（合金）钝化后所具有的耐蚀性称为钝性。2）钝化的实际意义 可利用钝化现象提高金属或合金的耐蚀性。 如人们向铁中加入Cr、Ni、Al制成不锈钢、耐热钢 在有些情况下又希望避免钝化现象的出现。 如电镀时阳极的钝化常带来有害的后果，

59、它使电极活性降低，从而降低了电镀效率等。3.6 金属的钝化钝化原因（1）化学因素：钝化剂 强氧化剂（硝酸、高锰酸钾、铬酸盐、氯酸盐等） 非氧化介质（Mg在HF中、Mo、Nb在HCl中） 溶液和大气中的氧（2）电化学因素 采用外加阳极电流的方法，使金属由活性状态变为钝态的现象3.6 金属的钝化钝化曲线的几种类型（1）活化 钝化过渡区 单一电流峰（Fe在稀H2SO4） 多个电流峰（2）钝化区 稳态阳极电流是不随电位而变化 不同电位区间，其钝化程度不同。Co表现出逐级钝化的情况 少数金属，如Ni，钝态电流密度是随电位增加而增加的3.6 金属的钝化钝化曲线的几种类型（3）过 钝化过渡区 电位达到或超过

60、钝化电位时，阳极溶解电流又突然随电位升高而增加，金属表面经受全面腐蚀 当电位进一步升高，过钝化电流达到某一极限值时，过钝化电流对金属表面具有抛光作用。 有两种过钝化模式，一种，如Cr，钝化溶解产物是高价离子形式；另一种，如Fe，过钝化溶解和钝化区溶解的离子一样。 当溶液中存在对钝化膜有破坏作用的阴离子时，且电位达到某一临界电位（孔蚀电位），则金属发生孔蚀。3.6 金属的钝化钝化曲线的几种类型3.6 金属的钝化钝化膜的性质多数钝化膜是由金属氧化物组成的。在一定条件下，铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐及难溶的硫酸盐和氯化物也能构成成相膜。钝化膜与溶液的PH值、电极电位及阴离子性质，浓度有关。如果把已钝化的金