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電子陶瓷或稱(chēng)電子工業(yè)用陶瓷,它在化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)電性能上,均與一般的電力用陶瓷有著本質(zhì)的區(qū)別。這些區(qū)別是電子工業(yè)對(duì)電子陶瓷所提出的一系列特殊技術(shù)要求而形成的,其中最重要的是須具有高的機(jī)械強(qiáng)度,耐高溫高濕,抗輻射,介質(zhì)常數(shù)在很寬的范圍內(nèi)變化,介質(zhì)損耗角正切值小,電容量溫度系數(shù)可以調(diào)整(或電容量變化率可調(diào)整).抗電強(qiáng)度和絕緣電阻值高,以及老化性能優(yōu)異等。

絕緣裝置瓷

簡(jiǎn)稱(chēng)裝置瓷,具有優(yōu)良的電絕緣性能,用作電子設(shè)備和器件中的結(jié)構(gòu)件、基片和外殼等的電子陶瓷。絕緣裝置瓷件包括各種絕緣子、線圈骨架、電子管座、波段開(kāi)關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等。對(duì)這類(lèi)瓷的基本要求是介電常數(shù)ε低,介質(zhì)損耗tanδ小,絕緣電阻率ρ高,擊穿強(qiáng)度E 大,介電溫度特性和頻率特性好。此外,還要求有較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。

在這類(lèi)陶瓷中以滑石瓷和氧化鋁瓷應(yīng)用最廣。它們的主晶相成分分別為MgSiO3及Al2O3�；�石瓷的電絕緣性?xún)?yōu)良且成本較低,是用于射電頻段內(nèi)的典型高頻裝置瓷。氧化鋁瓷是一類(lèi)電絕緣性更佳的高頻、高溫、高強(qiáng)度裝置瓷。其電性能和物理性能隨 Al2O3含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%Al2O3的高鋁氧瓷。在一些要求極高的集成電路中,甚至還使用Al2O3含量達(dá)99.9%的純剛玉瓷,其性質(zhì)與藍(lán)寶石單晶相近。高鋁氧瓷,尤其是純剛玉瓷的缺點(diǎn)是制造困難,燒成溫度高、價(jià)格貴。

裝置瓷中還有一類(lèi)以氧化鈹 (BeO)為代表的高熱導(dǎo)瓷。含 BeO95%的氧化鈹瓷的室溫導(dǎo)熱率與金屬相同。氧化鈹還具有良好的介電性、耐溫度劇變性和很高的機(jī)械強(qiáng)度。其缺點(diǎn)是BeO原料的毒性很大,瓷料燒成溫度高,因而限制了它的應(yīng)用。氮化硼 (BN)瓷和氮化鋁(AlN)瓷也屬于高熱導(dǎo)瓷,其導(dǎo)熱性雖不及氧化鈹瓷,但無(wú)毒,加工性能和介電性能均好,可供高頻大功率晶體管和大規(guī)模集成電路中作散熱及絕緣用。

研制出一類(lèi)以SiC為基料,摻入少量BeO等雜質(zhì)的熱壓陶瓷。這種陶瓷絕緣性能優(yōu)良,熱導(dǎo)率高于純度為99%的氧化鈹瓷。它的熱膨脹系數(shù)與硅單晶可在寬溫度范圍內(nèi)接近一致,可望在功率耗散較大的大規(guī)模集成電路中得到應(yīng)用。

用作碳膜和金屬膜電阻器基體的低堿長(zhǎng)石瓷也是一類(lèi)重要而價(jià)廉的裝置瓷,但其介質(zhì)損耗較大,不宜在高頻下使用。

折疊電容器瓷
用作電容器介質(zhì)的電子陶瓷。這類(lèi)陶瓷用量最大、規(guī)格品種也最多。主要的有高頻、低頻電容器瓷和半導(dǎo)體電容器瓷。

高頻電容器瓷 屬于Ⅰ類(lèi)電容器瓷,主要用于制造高頻電路中的高穩(wěn)定性陶瓷電容器和溫度補(bǔ)償電容器。構(gòu)成這類(lèi)陶瓷的主要成分大多是堿土金屬或稀土金屬的鈦酸鹽和以鈦酸鹽為基的固溶體(表1)。

電子陶瓷

選用不同的陶瓷成分可以獲得不同介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切 tanδ和介電溫度系數(shù)αε的高頻電容器瓷料,用以滿足各種溫度補(bǔ)償?shù)男枰�。表中的四鈦酸鋇瓷不僅是一種熱穩(wěn)定性高的電容器介質(zhì),而且還是一種優(yōu)良的微波介質(zhì)材料。

低頻電容器瓷 屬于Ⅱ類(lèi)電容器瓷,主要用于制造低頻電路中的旁路、隔直流和濾波用的陶瓷電容器。主要特點(diǎn)是介電常數(shù)ε 高,損耗角正切較大且tanδ及ε隨溫度的變化率較大。這類(lèi)陶瓷中應(yīng)用最多的是以鐵電鈦酸鋇(BaTiO3)為主成分,通過(guò)摻雜改性而得到的高ε(室溫下可達(dá)20000)和ε的溫度變化率低的瓷料。以平緩相變型鐵電體鈮鎂酸鉛 (PbMg1/3Nb2/3O3)等為主成分的低溫?zé)�結(jié)型低頻獨(dú)石電容器瓷料,也是重要的低頻電容器瓷。

半導(dǎo)體電容器瓷 利用半導(dǎo)體化的陶瓷外表面或晶粒間的內(nèi)表面(晶界)上形成的絕緣層為電容器介質(zhì)的電子陶瓷。其中利用陶瓷晶界層的介電性質(zhì)而制成的邊界層電容器是一類(lèi)新型的高性能、高可靠的電容器,它的介電損耗小、絕緣電阻及工作電壓高。半導(dǎo)體電容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3兩大類(lèi)。在以BaTiO3、SrTiO3或二者的固溶體為主晶相的陶瓷中,加入少量主摻雜物(如Dy2O3等)和其他添加物,在特殊的氣氛下燒成后,即可得到N型半導(dǎo)體陶瓷。然后,再在表面上涂覆一層氧化物漿料(如CuO等),通過(guò)熱處理使氧化物向陶瓷的晶界擴(kuò)散,最終在半導(dǎo)體的所有晶粒之間形成一絕緣層。這種陶瓷的視在介電常數(shù)極高(可達(dá) 105以上)、介質(zhì)損耗小(小于1%)、體電阻率高(高于 1011歐·厘米)、介質(zhì)色散頻率高(高于1吉赫)、抗潮性好,是一種高性能、高穩(wěn)定的電容器介質(zhì)。 鐵電陶瓷 以鐵電性晶體為主晶相的電子陶瓷。已發(fā)現(xiàn)的鐵電晶體不下千種,但作為鐵電陶瓷主晶相的主要有鈣鈦礦或準(zhǔn)鈣鈦礦型的鐵電晶體或固溶體。 在一定的溫度范圍內(nèi)晶體中存在著可隨外加電場(chǎng)而轉(zhuǎn)變方向的自發(fā)極化,這就是晶體的鐵電性。當(dāng)溫度超過(guò)某一臨界值──居里溫度TC時(shí),其極化強(qiáng)度下降為零,晶體即失去鐵電性,而成為一般的順電晶體;與此同時(shí),晶體發(fā)生鐵電相到順電相的相變。鐵電體的極化強(qiáng)度還隨電場(chǎng)而劇烈變化(圖1)。

電子陶瓷

鐵電體的重要微觀特征是具有電疇結(jié)構(gòu),即鐵電體具有許多沿特定方向自發(fā)極化到飽和的小區(qū)域──電疇。這些取向不同的電疇以疇壁分開(kāi)(圖2a)。在相當(dāng)強(qiáng)的外電場(chǎng)作用下,這種多疇晶體可以被電場(chǎng)強(qiáng)迫取向而單疇化(圖2b)。這種電疇隨外電場(chǎng)而反轉(zhuǎn)取向的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,包括疇壁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及新疇成核和成長(zhǎng)的過(guò)程。

鐵電陶瓷

功能多、用途廣。利用其壓電特性可以制成壓電器件,這是鐵電陶瓷的主要應(yīng)用,因而常把鐵電陶瓷稱(chēng)為壓電陶瓷。利用鐵電陶瓷的熱釋電特性(在溫度變化時(shí),因極化強(qiáng)度的變化而在鐵電體表面釋放電荷的效應(yīng))可以制成紅外探測(cè)器件,在測(cè)溫、控溫、遙測(cè)、遙感以至生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值。典型的熱釋電陶瓷有鈦酸鉛(PBTiO3)等。利用透明鐵電陶瓷PLZT(摻鑭的鈦鋯酸鉛)的強(qiáng)電光效應(yīng)(通過(guò)外加電場(chǎng)對(duì)透明鐵電陶瓷電疇狀態(tài)的控制而改變其光學(xué)性質(zhì),從而表現(xiàn)出電控雙折射和電控光散射的效應(yīng)),可以制成激光調(diào)制器、光電顯示器、光信息存儲(chǔ)器、光開(kāi)關(guān)、光電傳感器、圖像存儲(chǔ)和顯示器,以及激光或核輻射防護(hù)鏡等新型器件。

半導(dǎo)體陶瓷

通過(guò)半導(dǎo)體化措施使陶瓷具有半導(dǎo)電性晶粒和絕緣性(或半導(dǎo)體性)晶界,從而呈現(xiàn)很強(qiáng)的界面勢(shì)壘等半導(dǎo)體特性的電子陶瓷。

陶瓷半導(dǎo)體化的方法主要有強(qiáng)制還原法和施主摻雜法(亦稱(chēng)原子價(jià)控法)兩種。兩種方法都是在陶瓷的晶體中形成離子空位等缺陷,從而提供大量導(dǎo)電電子,使陶瓷中的晶粒成為某種類(lèi)型(通常是 N型)的半導(dǎo)體。而這些晶粒之間的間層為絕緣層或另一類(lèi)型(P 型)的半導(dǎo)體層。

半導(dǎo)體陶瓷種類(lèi)很多,其中包括利用半導(dǎo)體瓷中晶粒本身性質(zhì)制成的各種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻;利用晶界性質(zhì)制成的半導(dǎo)體電容器、ZnO 壓敏電阻器、BaTiO3系正溫度系數(shù)熱敏電阻器、CdS/Cu2S太陽(yáng)能電池;以及利用表面性質(zhì)制成的各種陶瓷型濕敏電阻器和氣敏電阻器等。表2列出典型的傳感器用半導(dǎo)體陶瓷。

CdS/Cu2S系光電陶瓷不同于上表所列的利用絕緣晶界層性質(zhì)的半導(dǎo)體瓷,它所利用的是N型CdS與P型Cu2S晶界層之間的PN異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)。用它制成的陶瓷太陽(yáng)能電池,可以作為無(wú)人值守臺(tái)站的電源,也可作為電子儀器中的光電耦合器件。

離子陶瓷

快離子導(dǎo)電的電子陶瓷。具有快速傳遞正離子的特性。典型代表是 β-Al2O3 瓷。這種陶瓷在300℃下離子電導(dǎo)率可達(dá)0.1/(歐·厘米),可用來(lái)制作較經(jīng)濟(jì)的高比率能量的固體電池,還可制作緩慢放電的高儲(chǔ)能密度的電容器。它是有助于解決能源問(wèn)題的材料。

1、研究陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)和原子價(jià)鍵特性及其相互關(guān)系,以改善電子陶瓷的性能;

2、研究制造超微粉粒和超純粉粒以及成型、燒結(jié)等工藝,以改善電子陶瓷的制造技術(shù);

3、探討陶瓷中可能存在的各種物理效應(yīng),發(fā)展新型功能材料及多功能材料;

4、應(yīng)用復(fù)合材料的理論和技術(shù),研究以陶瓷為主體的結(jié)構(gòu)復(fù)合、物理復(fù)合和功能復(fù)合的材料;

5、應(yīng)用表面分析、能譜分析和計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù),研究陶瓷中晶粒間界面的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等。