陶瓷是遠(yuǎn)比金屬、塑料古老的材料，在人類的日常生活中扮演重要的角色，我們用的烹飪器具、餐具、衛(wèi)生用潔具、裝飾材料等都用到了陶瓷材料，這是我們看到“陶瓷”這個字眼，所**能想到的。簡言之我們所認(rèn)識到的都是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，認(rèn)為陶瓷就是有一些粘土燒制而成，其應(yīng)用也僅僅是在日常生活中的幾個局限領(lǐng)域。功能陶瓷是在原料、制備工藝上區(qū)別于傳統(tǒng)陶瓷的，不僅僅利用人們熟知的陶瓷外在特點(diǎn)，如高強(qiáng)度、高硬度、耐熱性、耐腐蝕等特點(diǎn)，而且開發(fā)了陶瓷材料在力、光、電、聲、磁、化學(xué)、生物等方面的功能。
**個突破性的進(jìn)展
具有高介電常數(shù)的新材料—鈦酸鋇的發(fā)明。
第四個突破性進(jìn)展
鐵電理論的研究與鐵電性能在新技術(shù)中的應(yīng)用研究與開發(fā)如鐵電存儲器、紅外熱釋電、光電效應(yīng)等。
第五個突破性進(jìn)展
始于20世紀(jì)80年代的誘導(dǎo)相變與超導(dǎo)研究。已有不少學(xué)者認(rèn)為,陶瓷高溫超導(dǎo)性與電子和聲子的非線性相互作用及晶格的不穩(wěn)定性與引起鐵電性的結(jié)構(gòu)相變有關(guān)。
目前已發(fā)展成為性能多樣、品種繁多、使用廣泛、市場占有份額很高的一大類先進(jìn)陶瓷材料。目前已經(jīng)研究比較深入并大量使用的功能陶瓷有絕緣陶瓷、介電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷等,下面將介紹幾種主要的功能陶瓷及其應(yīng)用。
絕緣陶瓷
直到20世紀(jì)以前,陶瓷一直是指以粘土為代表的硅酸鹽礦物燒制而成的器具,由于這些制品本身是絕緣的,故稱為絕緣陶瓷。廣泛應(yīng)用于汽車、電力、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域,主要器件有絕緣子、火花塞、電阻器基體材料和集成電路基片等。
介電陶瓷
介電陶瓷是通過控制介電性質(zhì),使之符合高比介電常數(shù)、低的高頻損耗、適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)溫度變化值等要求的一種陶瓷。包括鐵電介質(zhì)陶瓷、半導(dǎo)體介質(zhì)陶瓷、高頻介質(zhì)陶瓷和微波介質(zhì)陶瓷等陶瓷介質(zhì)材料,其主要用于電容器和微波電路元件的應(yīng)用。
壓電陶瓷
壓電陶瓷在晶體結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心,具有壓電效應(yīng),也就是具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)換的功能。壓電陶瓷具有成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn),主要用于制作壓電器材、變壓器、濾波器和諧振器等。
半導(dǎo)體陶瓷
半導(dǎo)體陶瓷是技術(shù)密集型的高技術(shù)材料,其重點(diǎn)是開發(fā)敏感陶瓷。這類陶瓷的半導(dǎo)性是指將陶瓷的晶相轉(zhuǎn)變成n型或p半導(dǎo)體,晶界要適當(dāng)絕緣。主要包括半導(dǎo)體陶瓷電容器、熱敏電阻、壓敏電阻、濕度傳感器和氣體傳感器等。
自出現(xiàn)以來,功能陶瓷獲得越來越深入的發(fā)展,其性能更加多樣、品種更加繁多、使用更加廣泛。當(dāng)前功能陶瓷發(fā)展趨勢可歸納為以下幾點(diǎn):復(fù)合化,多功能化,智能化,低維化和材料、設(shè)計(jì)、工藝一體化。單一材料的功能和特性往往難以滿足新技術(shù)新發(fā)展對材料綜合性能的要求,復(fù)合材料可以綜合單一材料很多優(yōu)異的性能。
智能材料是功能陶瓷發(fā)展和應(yīng)用的更高階段,是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會需求的必然結(jié)果。當(dāng)材料的特征尺寸足夠小,尤其是到了納米級時,量子效應(yīng)和表面效應(yīng)將十分顯著,可產(chǎn)生獨(dú)特的電、磁、光、熱、力等物理和化學(xué)特性,納米功能陶瓷技術(shù)是研究的熱點(diǎn)之一,是一種新型的功能陶瓷材料。材料、設(shè)計(jì)、工藝的一體化,有助于開發(fā)更優(yōu)異特征和更新功能的功能陶瓷。
為制備高可靠和高效能的功能陶瓷材料能及微型元器件提供理論依據(jù),研究內(nèi)容應(yīng)該有:
1高性能功能陶瓷粉體制備關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題
研究高性能功能陶瓷粉體制備中組成控制與結(jié)構(gòu)控制的方法與理論,研究粉體制備過程中的反應(yīng)機(jī)制、擴(kuò)散機(jī)理以及粉體表征等關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題,研究用于制備功能陶瓷材料的固液漿料體系的物理化學(xué)特性及其調(diào)控理論與技術(shù)。
2功能陶瓷膜、片與多層結(jié)構(gòu)制備關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題和關(guān)鍵技術(shù)
研究功能陶瓷膜、片、多層結(jié)構(gòu)制備的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性問題,如流延、內(nèi)電極、低溫共燒及制膜新技術(shù)等。研究陶瓷材料與異質(zhì)材料的結(jié)合機(jī)理和界面結(jié)構(gòu)。
3復(fù)相功能陶瓷的制備及相關(guān)基礎(chǔ)性問題
研究復(fù)相價電、鐵電陶瓷的組成、設(shè)計(jì)及其功能與效應(yīng)的復(fù)合探索形成與穩(wěn)定復(fù)相結(jié)構(gòu)陶瓷的制備技術(shù)及提高功能陶瓷材料復(fù)相結(jié)構(gòu)的重現(xiàn)性和一致性的相
關(guān)基礎(chǔ)性問題等。
現(xiàn)代功能陶瓷的特點(diǎn)是品種多、價格低、應(yīng)用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。通過對復(fù)雜多元氧化物系統(tǒng)的化學(xué)、物理及組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能間相互關(guān)系的研究,已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有優(yōu)異性能或特殊功能的功能陶瓷,并可借助于離子置換、摻雜等方法調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能,功能陶瓷材料研究已開始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能來進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。一般來說,要從性能的改進(jìn)來改善陶瓷材料的功能,辦法可從兩方面入手:
(1)從材料的組成上直接調(diào)節(jié),優(yōu)化其內(nèi)在的品質(zhì)。
包括采用非化學(xué)式計(jì)量、離子置換、添加不同類型雜質(zhì),使不同相在微觀級復(fù)合、形成不同性質(zhì)的晶界層等。
(2)通過改變外界條件,即改變工藝條件以改善和提高陶瓷材料的性能,達(dá)到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。工藝條件是指原料粉料的物理化學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)、加工成型方法和條件,燒成制度和燒結(jié)狀態(tài),以及成品的加工方法和條件等。
無論從應(yīng)用的廣度,還是市場占有率來看,在當(dāng)前及以后相當(dāng)一段時間內(nèi)功能陶瓷在現(xiàn)代陶瓷中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。因此,功能陶瓷今后在性能方面會向著高效能、高可靠性、低損耗、多功能、超高功能以及智能化方向發(fā)展。在設(shè)備技術(shù)方面向著多層、多相乃至超微細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控與復(fù)合、低溫活化燒結(jié)、立體布線、超細(xì)超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展,在材料及應(yīng)用的主要研究方向應(yīng)包括智能化敏感陶瓷及其傳感器,具有高轉(zhuǎn)換率、高可靠性、低損耗、大功率的壓電陶瓷及其換能器;超高速大容量超導(dǎo)計(jì)算機(jī)用光纖陶瓷材料;多層封裝立體布線用的高導(dǎo)熱低介電常數(shù)陶瓷基板材料;量大面廣、低燒、高比容、用穩(wěn)定性的多層陶瓷電容器材料等。
我國發(fā)展新型功能陶瓷材料,一方面要大力引進(jìn)先進(jìn)裝備及檢測手段,購買新材料配方和技術(shù)專利,來提高我國陶瓷材料的研究、開發(fā)、生產(chǎn)的起點(diǎn)水平;另一方面,又要在消化、吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,立即投入到有創(chuàng)造性的研究開發(fā)工作之中去。因此我國科技工作者應(yīng)根據(jù)目標(biāo)市場需求,有針對性地深入研究與市場相適應(yīng)的應(yīng)用技術(shù),同時也為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展尋找到真正的源泉和根本的推動力。同時國家亦應(yīng)該在產(chǎn)業(yè)政策、投資力度、投資機(jī)制等方面對陶瓷驅(qū)動技術(shù)予以大力扶持,***的技術(shù)是買不來的,我們一定要積極發(fā)展有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù),以使自己在未來全球經(jīng)濟(jì)一體化的大潮中立于不敗之地。
