1、“材料科學(xué)前沿” 功能陶瓷代建清一、引言二、功能陶瓷的研究現(xiàn)狀三、功能陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)四、共性科學(xué)問(wèn)題材料：無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料； 無(wú)機(jī)材料中除金屬以外的材料都是無(wú)機(jī)非金屬材料。1、材料科學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)： 1）材料科學(xué)技術(shù)更加注重多學(xué)科的交叉與綜合； 2）材料的合成及制備科學(xué)技術(shù)得到高度重視； 3）材料表征和評(píng)價(jià)科學(xué)技術(shù)是新材料發(fā)展的重要基礎(chǔ)； 4）材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速； 5）納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別引人關(guān)注； 6）向高性能、低成本和復(fù)合化、集成化、低維化、智能化方向發(fā)展； 7）新材料發(fā)展與基礎(chǔ)和傳統(tǒng)材料的改進(jìn)、更新、提高之間相互促進(jìn)； 8）材料及其制品與生態(tài)環(huán)境和生態(tài)資源的

2、協(xié)調(diào)性，與人類社會(huì)可持續(xù)發(fā) 展的關(guān)系備受重視。一、引言2、無(wú)機(jī)非金屬材料： 最初只包括傳統(tǒng)的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料； 隨科技發(fā)展，半導(dǎo)體、先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶體、非晶態(tài)材料、碳素材料等也都納入其中。1）傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料是國(guó)家基本建設(shè)所必須的基礎(chǔ)材料，量大面廣，其質(zhì)量提升和性能改進(jìn)都將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，2）無(wú)機(jī)非金屬新材料，如片式電子陶瓷元器件材料、光纖放大器材料、白光發(fā)光二極管、激光透明陶瓷、巨磁阻材料、生物醫(yī)用材料等，在形成高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能和建立新能源、環(huán)保和節(jié)約資源等方面都對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。3）無(wú)機(jī)非金屬材料的高硬度

3、、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨和優(yōu)異的環(huán)保性能以及特殊的光聲、電等性能，在航空航天、兵器、艦船等國(guó)防領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，如陶瓷基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、特種功能陶瓷、人工晶體、石英玻璃等已成為武器裝備中不可或缺的關(guān)鍵材料。無(wú)機(jī)非金屬材料對(duì)國(guó)防建設(shè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 3、無(wú)機(jī)非金屬材料學(xué)科的共性科學(xué)問(wèn)題：l）無(wú)機(jī)非金屬材料合成與制備的科學(xué)技術(shù)；2）材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)的理論與模型；3）材料組成和微結(jié)構(gòu)表征及其與材料性質(zhì)和使用性能的關(guān)聯(lián)；4）材料界面和表面結(jié)構(gòu)及其與材料特性和應(yīng)用的關(guān)聯(lián)；5）納米材料的合成、組裝、特性預(yù)測(cè)、性能調(diào)控與器件設(shè)計(jì)；6）功能材料的電子態(tài)及其與光電功能特性的關(guān)聯(lián)和規(guī)律；

4、7）物性多尺度耦合機(jī)制及相關(guān)理論；8）材料缺陷及摻雜行為與物性設(shè)計(jì)；9）材料非平衡、非線性、非均勻的機(jī)制與相關(guān)理論；10）新材料、新效應(yīng)、新器件、新應(yīng)用中的基礎(chǔ)問(wèn)題。4、功能陶瓷材料：1）功能陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)等功能為主要特征的陶瓷材料。2）主要包括鐵電、壓電、介電、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和磁性陶瓷等。大部分功能陶瓷廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，是電子信息技術(shù)中基礎(chǔ)元器件的關(guān)鍵材料，占先進(jìn)陶瓷工業(yè)市場(chǎng)份額的80%。3）功能陶瓷是電子信息、集成電路、計(jì)算機(jī)、通訊廣播、自動(dòng)控制、航空航天、海洋探測(cè)、激光技術(shù)、精密儀器、汽車、能源、核技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等近代高技

5、術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料.4）功能陶瓷的特點(diǎn)： 成分可控性、結(jié)構(gòu)寬容性、性能多樣性、應(yīng)用廣泛性 據(jù)功能陶瓷組成、結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可靠性：可制備超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)性、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷 據(jù)功能陶瓷的能量轉(zhuǎn)換和耦合特性：可制備壓電、光電、熱點(diǎn)、磁電和鐵電等陶瓷 據(jù)對(duì)外場(chǎng)的敏感效應(yīng)：可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏、電壓敏和光敏等敏感陶瓷功能陶瓷材料及市場(chǎng)需求 鐵電材料壓電材料導(dǎo)電材料磁性材料熱電材料介電材料半導(dǎo)體材料光電材料功能陶瓷2000 年度對(duì)新型功能器件的市場(chǎng)需求示意圖5）電子陶瓷及元器件領(lǐng)域創(chuàng)新活躍、競(jìng)爭(zhēng)激烈 世界各國(guó)元器件生產(chǎn)企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料、新

6、設(shè)備方面投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)，每年都有大量新型功能陶瓷材料及其元器件問(wèn)世。在功能陶瓷的研究和開發(fā)方面，美國(guó)和日本走在世界前列。 日本：依靠其超大規(guī)模生產(chǎn)和先進(jìn)制備技術(shù)在世界電子陶瓷市場(chǎng)中 占主導(dǎo)地位，占有世界電子陶瓷市場(chǎng)60以上的份額。 美國(guó)：研究力量雄厚，在基礎(chǔ)研究和新材料開發(fā)方面領(lǐng)先，其產(chǎn)品 側(cè)重于高技術(shù)和軍事工程，在水聲、電光、光電子、紅外技 術(shù)和半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)。 韓國(guó)：近年來(lái)在電子陶瓷領(lǐng)域發(fā)展迅速，引人注目。1裝置陶瓷1）主要包括用于電子技術(shù)、微電子技術(shù)和光電子技術(shù)中起電絕緣作用的陶瓷裝置零件、陶瓷基片以及多層陶瓷封裝等。2）裝置陶瓷是功能陶瓷中市場(chǎng)份額最大的一類材料，大體上

7、約占1 / 4 以上。最常用的裝置陶瓷有氧化鋁陶瓷、堇青石瓷、橄欖石瓷、氧化鈹瓷等。近年來(lái)一些新型絕緣陶瓷材料相繼開發(fā)成功，并得到了快速發(fā)展，如高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷基片和低溫共燒陶瓷材料已在先進(jìn)陶瓷封裝和陶瓷集成領(lǐng)域獲得應(yīng)用。3）近年來(lái)我國(guó)在裝置陶瓷，特別是在陶瓷基片和封裝材料應(yīng)用開發(fā)方面取得很大進(jìn)展，例如，將先進(jìn)成型工藝技術(shù)引入到陶瓷基片的研究和生產(chǎn)中，先后開發(fā)成功流延成型的無(wú)毒料漿新體系和水系膠態(tài)注模成型新工藝，對(duì)環(huán)保和降低成本效果顯著。二、功能陶瓷的研究現(xiàn)狀2電容器陶瓷1）分為高頻介質(zhì)陶瓷（I 類）、鐵電介質(zhì)陶瓷（II類）和半導(dǎo)體介質(zhì)陶瓷（III類）。I類陶瓷介質(zhì)：主要用于制造高頻電路中使用

8、的陶瓷電容器，最常用的高頻電容器陶瓷材料有金紅石陶瓷、鈦酸鈣陶瓷、鎂鑭鈦瓷、鈣鈦硅瓷、鋯酸鹽瓷等。 II類陶瓷介質(zhì)：主要用于制造低頻電路中使用的陶瓷電容器，目前以改性BaTiO3陶瓷為主。 III類陶瓷電容器：又稱晶界層陶瓷電容器，其表觀介電常數(shù)很高，主要是半導(dǎo)化的SrTiO3 和BaTiO3陶瓷。2） 片式多層陶瓷電容器（MLCC）成為陶瓷電容器的主流： 隨電子信息技術(shù)日益走向集成化、薄型化、微型化和智能化，MLCC主要用于各類軍用、民用電子整機(jī)中的振蕩、藕合、濾波旁路電路中，應(yīng)用領(lǐng)域拓展到自動(dòng)儀表、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)字家電、汽車電器等行業(yè)。 MLCC在國(guó)際電子制造業(yè)中地位越來(lái)越重要，全球ML

9、CC市場(chǎng)需求量，由1998年的3070億只，增至2004年的8000 多億只，增長(zhǎng)速度超過(guò)20%, 2005年MLCC產(chǎn)品的全球市場(chǎng)需求高達(dá)9500億只。 日本是MLCC的生產(chǎn)大國(guó)，日本的村田、TDK、太陽(yáng)誘電、京瓷，韓國(guó)的三星電機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣的國(guó)巨、信昌等都是國(guó)際上著名的MLCC生產(chǎn)企業(yè)。 我國(guó)MLCC研究和生產(chǎn)起步于20世紀(jì)80年代中期，目前生產(chǎn)企業(yè)有20多家，但真正有生產(chǎn)規(guī)模的僅有廣東風(fēng)華等少數(shù)幾個(gè)企業(yè)。3）小型化、大容量、賤金屬化、高頻化、集成復(fù)合化是MLCC 的主流發(fā)展技術(shù)。 賤金屬化是近年來(lái)發(fā)展最快的MLCC 技術(shù)，采用賤金屬內(nèi)電極是降低MLCC成本的最有效途徑，而實(shí)現(xiàn)賤金屬化的關(guān)鍵

10、是發(fā)展高性能抗還原BaTiO3瓷料。 日本的一些企業(yè)就已經(jīng)開發(fā)出此項(xiàng)技術(shù)，并一直保持領(lǐng)先。目前大容量MLCC 幾乎全部實(shí)現(xiàn)了賤金屬化。國(guó)內(nèi)MLCC 賤金屬化起步較晚，但近年來(lái)在高品質(zhì)抗還原瓷料和相關(guān)制備技術(shù)方面都取得重要突破，為大容量薄層化賤金屬內(nèi)電極MLCC 提供了關(guān)鍵材料與技術(shù)。3鐵電壓電陶瓷1）鐵電陶瓷的基本特征是具有鐵電性，即自發(fā)極化，且自發(fā)極化隨外電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向，是高比容電容器的最佳介質(zhì)材料。 目前BaTiO3陶瓷已廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器、厚膜和薄膜電容器等。 利用鐵電體所擁有的極化反轉(zhuǎn)特性，發(fā)展了具有廣闊應(yīng)用前景的鐵電薄膜存儲(chǔ)器和各種電光器件； 經(jīng)極化處理的鐵電陶瓷所表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電

11、和熱釋電性能，據(jù)此發(fā)展了各種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、傳感器，在現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用前景。 2）弛豫鐵電體：某些具有復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體表現(xiàn)出不同于通常鐵電體的介電特性，即具有擴(kuò)散相變和頻率彌散特性，這類鐵電體通常稱為弛豫鐵電體。 弛豫鐵電單晶和陶瓷具有優(yōu)異的介電、鐵電和壓電性能，是重要的MLCC 介質(zhì)、壓電和電致伸縮材料。典型弛豫鐵電體有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3等。 近年來(lái)在鐵電材料研究中取得的一個(gè)重大進(jìn)展是大尺寸弛豫鐵電單晶材料的制備及其異常高的壓電性能的發(fā)現(xiàn)。3）壓電陶瓷作為一種重要的換能材料，以其優(yōu)良的機(jī)電藕合效應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋

12、電子信息、機(jī)電換能、自動(dòng)控制以及微機(jī)電系統(tǒng)，包括壓電振子、壓電換能器、壓電濾波器、高壓發(fā)生器和壓電驅(qū)動(dòng)器等在內(nèi)的種類繁多的壓電陶瓷器件。壓電陶瓷作為重要的功能材料在電子材料領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。近幾年來(lái)，壓電陶瓷在全球每年銷售量按15左右的速度增長(zhǎng)，2000 年全球壓電陶瓷產(chǎn)品銷售額約達(dá)30 億美元以上。隨著電子整機(jī)向數(shù)字化、高頻化、多功能化和薄、輕、小、便攜式的方向發(fā)展，壓電陶瓷器件也在向片式化、多層化和微型化方向發(fā)展。近年來(lái)，包括多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū)動(dòng)器、片式化壓電頻率器件、聲表面波（SAW）器件等一些新型壓電陶瓷器件不斷研制成功，并得到應(yīng)用。4微波介質(zhì)陶瓷1）微波介質(zhì)陶瓷是指適合于

13、微波頻段應(yīng)用的低損耗、溫度穩(wěn)定型電介質(zhì)陶瓷材料 是移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、藍(lán)牙技術(shù)以及無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN）等現(xiàn)代微波通信的關(guān)鍵材料。 廣泛應(yīng)用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器以及微波基板。 由微波介質(zhì)陶瓷構(gòu)成的諧振器、濾波器及振蕩器等元器件，在很大程度上決定了微波通信最終產(chǎn)品的性能、成本與尺寸極限。2） 微波介質(zhì)陶瓷的主要性能要求是：適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)、高Q 值（低介電損耗）和近零諧振溫度系數(shù)f。根據(jù)其性能與用途，微波介質(zhì)陶瓷可分為五類： 超低損耗類。主要是鋇基復(fù)合鈣鈦礦陶瓷，其性能指標(biāo)為=2030，在10GHz時(shí)，Q 20000，-510-6 f 5

14、000，-1010-6 f 1010-6 /，主要用于衛(wèi)星通信及移動(dòng)通信基站。高介電常數(shù)類。BaO-Ln2O3-TiO2基材料，Ln = La、Nd、Sm，其性能指標(biāo)為80，在1GHz 時(shí)，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。 非線性類。目前有電場(chǎng)可調(diào)或稱頻率捷變微波介質(zhì)陶瓷，其材料體系有（Ba,Sr)TiO3 等，主要用于可調(diào)諧振器、移相器以及可調(diào)微波電容器等。非線性微波介質(zhì)陶瓷的性能要求與線性材料略有不同，對(duì)前者主要性能要求有：高調(diào)諧率 =(E) - (0)/(0)、低損耗與良好的溫度穩(wěn)定性。3）目

15、前日本在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域處于明顯優(yōu)勢(shì)，隨第三代移動(dòng)通信與數(shù)據(jù)微波通信的發(fā)展，美、日、歐均在調(diào)整這一高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略。美國(guó)將戰(zhàn)略重點(diǎn)置于非線性微波介質(zhì)陶瓷與高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷方面；歐洲著重于固定頻率諧振器用材料；日本則利用其產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)正在大力推進(jìn)微波介質(zhì)陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)化與高品質(zhì)化；韓國(guó)近年來(lái)在該領(lǐng)域發(fā)展也十分迅速。我國(guó)在高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的低損耗化、低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷新體系以及低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷等方面有一定優(yōu)勢(shì)，并逐漸形成研究特色，但在微波介質(zhì)陶瓷及器件的產(chǎn)司業(yè)化規(guī)模和技術(shù)水平方面與國(guó)外相比有較大差距。微波介質(zhì)陶瓷 諧振器件 介質(zhì)波導(dǎo) 微波天線 微波濾波器 介質(zhì)基片 介質(zhì)電容器5

16、半導(dǎo)體陶瓷1）半導(dǎo)體陶瓷是一類能將力、熱、聲、光、電、濕、氣等物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的信息功能陶瓷材料是集固體電子學(xué)、材料學(xué)、結(jié)晶化學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)等為一體的交叉性學(xué)科，是20 世紀(jì)7080年代逐漸發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科。主要包括正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和壓敏電阻材料，以及氣敏、濕敏等材料。 其中熱敏陶瓷和壓敏陶瓷的產(chǎn)量和產(chǎn)值最高。熱敏電阻陶瓷材料及器件在國(guó)際上以美國(guó)VISHAY ，德國(guó)EPCOS，日本村田、TDK、石冢、芝浦、三菱等公司的技術(shù)最先進(jìn)，產(chǎn)量最大，他們的年產(chǎn)量約占世界總量的6080%，其產(chǎn)品質(zhì)量好，但價(jià)格高。2）熱敏電阻器向高性能、高可靠、高精度、片式化

17、和規(guī)?；较虬l(fā)展 適用高亮度、大屏幕彩電、彩顯需要的消磁電路用PTC，正向高電壓、低電阻方向發(fā)展。日本村田和三菱等公司的片式熱敏電阻器已規(guī)模化生產(chǎn)，片式NTC和片式PTC 的最小尺寸規(guī)格已達(dá)0402和0201。 目前我國(guó)熱敏電阻器的生產(chǎn)廠家有40 余家，但生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模與國(guó)外廠家相比有較大差距。6超導(dǎo)陶瓷1）超導(dǎo)材料在能源、信息、交通、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國(guó)防軍工、大型科學(xué)工程等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。全球超導(dǎo)材料市場(chǎng)需求達(dá)30 多億美元，預(yù)計(jì)2020 年全世界超導(dǎo)材料應(yīng)用市場(chǎng)達(dá)2400 億美元。2）1986 年，IBM 瑞士蘇黎世研究院的Mller 和Bednorz 報(bào)道了在La-B

18、a-Cu-O化合物中觀察到30K 以上超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的歷史性發(fā)現(xiàn)，揭開了席卷全球的高溫超導(dǎo)熱潮，他們因此榮獲1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達(dá)130K 以上。3) 國(guó)際上關(guān)于超導(dǎo)電性的研究和應(yīng)用開發(fā)向縱深發(fā)展：深入發(fā)展高溫超導(dǎo)物理研究、高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)、超導(dǎo)結(jié)技術(shù)和微加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，高溫超導(dǎo)在科學(xué)儀器、通信技術(shù)、軍用電子學(xué)、醫(yī)療儀器等方面的應(yīng)用將會(huì)在10年左右時(shí)期內(nèi)有一定規(guī)模的發(fā)展。高溫超導(dǎo)電性的微觀機(jī)理和高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)物理為中心的基礎(chǔ)研究正在迅速深入，科學(xué)問(wèn)題的深化和科學(xué)內(nèi)容的豐富非常引人注目。今后10 年左右將是高溫超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)研究取得突破、高溫超導(dǎo)技術(shù)真正走

19、向?qū)嵱没彤a(chǎn)品化的關(guān)鍵時(shí)期。4)我國(guó)從20世紀(jì)60年代起開始超導(dǎo)研究，在80年代中期國(guó)際上高溫超導(dǎo)材料的重大突破中，我國(guó)科學(xué)家起了重要作用。目前，我國(guó)的超導(dǎo)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、加工和組織控制在世界上有一定地位。 在NbTi 、Nb3Sn 低溫超導(dǎo)材料的研究和開發(fā)方面，在國(guó)際超導(dǎo)界享有較高聲譽(yù)。 在Y系、Bi系高溫超導(dǎo)材料與MgB2新型超導(dǎo)材料，Bi 系銀套管制纜，量子干涉器件研制，大面積雙面高溫超導(dǎo)薄膜和微波技術(shù)應(yīng)用以及Y系單疇塊材等方面與國(guó)際先進(jìn)水平相近。 基礎(chǔ)研究方面，我國(guó)在新材料探索、材料結(jié)構(gòu)特征化、磁通動(dòng)力學(xué)和實(shí)用成材新技術(shù)的探索等方而也有一些在國(guó)際上有影響的成果。工藝技術(shù)的成熟程度，向工業(yè)

20、規(guī)模化逼近的程度等方面與國(guó)外有較大差距。7磁性陶瓷1)磁性陶瓷一般是由鐵和其他一種或多種金屬元素復(fù)合而成的氧化物，通常稱為鐵氧體，是具有亞鐵磁性的無(wú)機(jī)非金屬磁性材料。2)鐵氧體是磁性材料中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)分支： 對(duì)磁性陶瓷的大規(guī)模研究是在第二次世界大戰(zhàn)以后開展起來(lái)的。人們發(fā)現(xiàn)電感線圈鐵氧體磁性材料最重要的性能與損耗角和磁導(dǎo)率直接相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了Mn-Zn 鐵氧體材料的發(fā)展。該材料具有高磁導(dǎo)率的同時(shí)又有低損耗因子，相關(guān)研究奠定了鐵氧體科學(xué)和工藝學(xué)的基礎(chǔ)，并由此而誕生了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。 先后開發(fā)出多種軟磁高頻低功耗、軟磁高磁導(dǎo)率、永磁、抗電磁干擾鐵氧體材料及元件，利用這些材料制作的電感器、濾

21、波器、扼流圈、寬帶變壓器和脈沖變壓器，廣泛用于數(shù)字技術(shù)和光纖通信等高新技術(shù)領(lǐng)域。 利用微波鐵氧體獨(dú)特的旋磁特性制造的非互易性微波器件，如環(huán)行器、隔離器、振蕩器和移相器，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。 采用多層陶瓷技術(shù)發(fā)展起來(lái)的疊層片式電感也已成為重要的片式元件，廣泛用于計(jì)算機(jī)、數(shù)字電視、手機(jī)、無(wú)線電話等電子終端設(shè)備。3)我在20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行磁性陶瓷的科學(xué)與技術(shù)研究，在永磁、磁記錄、矩磁、旋磁（微波）、磁泡、磁光材料等方面均有長(zhǎng)足發(fā)展。 利用高溫高氧壓技術(shù)和溫度梯度定向凝固方法成功地生長(zhǎng)出Mn-Zn 體系鐵氧體單晶；利用熱壓和熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)獲得了Mn-Zn 和Ni-Zn 系

22、列鐵氧體高密度磁頭材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。在對(duì)石榴石型Y-La 系列鐵氧體的磁性、鐵磁共振及其頻率的系統(tǒng)研究，石榴石型鐵氧體磁泡材料的制備、磁疇圖樣和布洛赫磁疇壁的穩(wěn)定性研究，以及Mg-Mn體系鐵氧體微波性能的改進(jìn)等方面都做出了卓有成效的研究工作。磁學(xué)基本問(wèn)題的研究中，如通過(guò)對(duì)微波鐵氧體鐵磁共振弛豫理論、磁亞點(diǎn)陣等微觀結(jié)構(gòu)的研究，提出了新的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。我國(guó)的磁性陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，鐵氧體磁性材料的生產(chǎn)方面位于世界前列。8其他功能陶瓷1）如快離子導(dǎo)電陶瓷、生物陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷、多功能復(fù)相陶瓷、梯度功能陶瓷、透明陶瓷、陶瓷光子晶體、微介孔陶瓷材料等。2）具有離子導(dǎo)電特性的陶瓷稱為離子導(dǎo)電

23、陶瓷，可以應(yīng)用在固態(tài)電池、傳感器等方面。 快離子導(dǎo)電陶瓷通常要求其離子電導(dǎo)率大于10-2 S / cm ，且電子電導(dǎo)很小，電導(dǎo)活化能應(yīng)小于0.5 eV 。 目前比較引人注目的快離子導(dǎo)電陶瓷主要有穩(wěn)定ZrO2、-A12O3、nasicon 以及CeO2基固溶體等陶瓷。 導(dǎo)電陶瓷材料在具有清潔、高效特點(diǎn)的燃料電池，新型能源部件以及功能獨(dú)特的電色玻璃等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。3）生物陶瓷是具有特殊生理行為和功能的一類陶瓷材料，可用來(lái)構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至有望部分或整體地修復(fù)或替代人體的某些組織。最重要的特性是與人體組織的生物相容性。 生物陶瓷分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，前

24、者主要有氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷等，后者主要有磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。 生物陶瓷材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)相當(dāng)活躍，已有多種生物陶瓷材料及部件獲得了臨床應(yīng)用。9、小結(jié)：1）功能陶瓷材料的各個(gè)分支都得到了快速發(fā)展，開始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。凝聚態(tài)物理學(xué)、固態(tài)化學(xué)、納米科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科所取得的研究成就對(duì)功能陶瓷的發(fā)展起到了推動(dòng)作用；高活性納米粉體的應(yīng)用以及納米燒結(jié)動(dòng)力學(xué)的建立為功能陶瓷的微結(jié)構(gòu)調(diào)制和性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)；功能陶瓷的研究已開始深入到介于宏觀與原子尺度之間的納米層次，納米功能陶瓷的研究和開發(fā)將使陶瓷工藝、燒結(jié)理論、性能和應(yīng)用包含更新的科學(xué)內(nèi)涵。2）我國(guó)在功

25、能陶瓷材料的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化方面的發(fā)展： 在功能陶瓷的各重要分支已經(jīng)形成了比較穩(wěn)定的研究格局。在電容器陶瓷、鐵電壓電陶瓷、微波介質(zhì)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、納米陶瓷、復(fù)相陶瓷、多功能復(fù)合陶瓷、陶瓷薄膜等方面均有一批研究工作進(jìn)入國(guó)際前沿。 功能陶瓷基礎(chǔ)研究方面：在納米亞微米晶功能陶瓷的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)原理和微結(jié)構(gòu)控制、弛豫鐵電體相變本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和微結(jié)構(gòu)研究、多層多相復(fù)合功能陶瓷的共燒動(dòng)力學(xué)行為與機(jī)制、多功能復(fù)合陶瓷的多場(chǎng)耦合效應(yīng)、低維鐵電材料的疇結(jié)構(gòu)觀測(cè)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識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型功能陶瓷材料和元器件，以及新的制備技術(shù)

26、： 高純高活性納米粉體的合成、納米亞微米晶陶瓷的制備和微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、BaTiO3陶瓷的抗還原特性和高溫缺陷化學(xué)原理等研究工作成果顯著，成功研制一批高性能賤金屬內(nèi)電極（BME）多層陶瓷電容器（MLCC）陶瓷材料和高介高穩(wěn)定性MLCC介質(zhì)瓷料，突破了新一代高性能BME MLCC薄層化、微型化關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出若干種性能指標(biāo)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平的新型高性能多層陶瓷電容器，為我國(guó)多層陶瓷電容器向高性能、高比容、低成本為主要特征的賤金屬多層陶瓷電容器的升級(jí)換代提供了關(guān)鍵材料和技術(shù)。 高性能壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)研究取得突破，通過(guò)過(guò)渡液相燒結(jié)機(jī)制的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研制成功主要性能指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平的低燒和高性能兼優(yōu)

27、的新型壓電陶瓷材料，基于該材料研制成功的多層壓電陶瓷變壓器已實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，并在液晶顯示背光電源等方面獲得廣泛應(yīng)用。 低溫?zé)Y(jié)鐵氧體片式電感材料研究取得突破性進(jìn)展，通過(guò)納米粉體的合成和低溫?zé)Y(jié)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，研制成功幾類低燒和高性能兼優(yōu)的片式電感材料，其主要性能指標(biāo)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平，為我國(guó)新型片式電感類元件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 高溫超導(dǎo)陶瓷的制備和應(yīng)用開發(fā)研究成果顯著，率先突破了超導(dǎo)陶瓷超長(zhǎng)線材的制備技術(shù)，使我國(guó)邁入高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的國(guó)際先進(jìn)行列，研制成功了高性能超導(dǎo)陶瓷濾波器系統(tǒng)，開始在CDMA 移動(dòng)通信基站試用。 總體來(lái)看，我國(guó)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，特別是一些具有高附加價(jià)值、高技術(shù)含量的

28、新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎(chǔ)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差距，不少高端產(chǎn)品在相當(dāng)大的程度上為外資所控制。國(guó)外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來(lái)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)片式元器件，特別是高檔片式元器件相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。我國(guó)對(duì)信息功能陶瓷材料的共性、關(guān)鍵性的基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，原創(chuàng)性的工作較少，尤其在新一代信息功能陶瓷材料的前沿性領(lǐng)域，基礎(chǔ)研究工作亟待加強(qiáng)。1 、總體發(fā)展趨勢(shì)l）小型化微型化: 隨著移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信尤其是近兩年來(lái)藍(lán)牙、WAP 、GPS 等技術(shù)的迅速發(fā)展，在硬件上對(duì)器件小型化微型化的要求越來(lái)越迫切; 電子元器件，特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無(wú)源器

29、件是實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化微型化的主要“瓶頸”; 小型化微型化（包括片式化）是目前元器件研究開發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo), 實(shí)現(xiàn)小型化微型化的基礎(chǔ)在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米晶技術(shù)和相關(guān)工藝。2）高頻化與頻率系列化: 數(shù)字化技術(shù)的核心是將各種信息變成脈沖編碼信號(hào)，為了獲得足夠的帶寬和處理速度，要求較高的工作頻率。目前商品化的CPU 時(shí)鐘頻率最高可達(dá)23 GHz 。移動(dòng)通信所使用的頻率也在不斷升高：以模擬信號(hào)的調(diào)制為主要特征的第一代移動(dòng)通信所用的頻段在800900 MHz ，以數(shù)字信號(hào)為主要特征的第二代移動(dòng)通信所用的頻段則為900 MHz1.8 GHz ，目前正在研究的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的使用頻率則在2

30、GHz 左右。 適應(yīng)高的工作頻率對(duì)各類電子元器件中的陶瓷材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尋找具有良好高頻特性以及系列化工作頻率的功能陶瓷材料是目前新型電子元器件領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。三、功能陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)3）集成化模塊化: 適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化和滿足高頻電路要求的一個(gè)途徑是將分立的陶瓷元件集成化以及進(jìn)一步的模塊化。 越來(lái)越多的集成陶瓷元件已被研制出來(lái)，如集成若干個(gè)高介陶瓷電容器和電感器的LC 濾波器，集成若干個(gè)陶瓷電阻器、電容器和電感器的LCR 組件（感容式電阻）等。 作為實(shí)現(xiàn)集成化模塊化這一問(wèn)題的基礎(chǔ)是異質(zhì)材料的匹配共燒、化學(xué)兼容性和不同功能耦合與界面行為的相關(guān)性。4）多功能化: 具有電、磁、光、熱、

31、機(jī)耦合行為的新型多功能陶瓷材料及其耦合機(jī)制的研究日益為研究者所重視。5）高穩(wěn)定性: 電子陶瓷元器件往往需要在不同外場(chǎng)環(huán)境（如不同溫度、電磁場(chǎng)以及機(jī)械振動(dòng)）條件下工作，要求元器件對(duì)上述條件的變化有高的穩(wěn)定性。 器件的穩(wěn)定性歸根到底是陶瓷材料的穩(wěn)定性，探索電子陶瓷材料的高穩(wěn)定性以及服役行為是追求的一個(gè)重要目標(biāo)。2功能納米陶瓷材料及新型納米陶瓷器件1）發(fā)展趨勢(shì)：功能納米陶瓷材料和納米技術(shù)涉及納米粉體、納米添加劑、納米復(fù)合以及陶瓷晶粒的納米化 隨著電子信息技術(shù)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、多層化、片式化、集成化和多功能化成為這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。元器件的微型化和介質(zhì)薄層化發(fā)

32、展趨勢(shì)必然促使相關(guān)的功能陶瓷材料走向晶粒微細(xì)化和納米化。因此，功能材料納米化、納米陶瓷、納米器件是信息陶瓷元器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，正成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。 納米晶陶瓷發(fā)展的一個(gè)重要的推動(dòng)力來(lái)自功能陶瓷技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的集成化。面向鐵電存儲(chǔ)、紅外探測(cè)、微波調(diào)諧、激光調(diào)制和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS ) 應(yīng)用的鐵電和壓電陶瓷的薄膜化成為當(dāng)前功能陶瓷領(lǐng)域最重要的研究方向之一，在半導(dǎo)體工藝和鐵電材料工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的集成鐵電學(xué)已發(fā)展成為電介質(zhì)物理學(xué)重要的分支。鐵電集成的核心是鐵電壓電陶瓷的薄膜化。薄膜化功能陶瓷的特征是在尺度上的納米化。 功能陶瓷的納米化是電子元器件微型化和集成化發(fā)展的必由之路，世界各國(guó)對(duì)納米

33、功能陶瓷的研究和開發(fā)也給子了高度重視。2）重要科學(xué)問(wèn)題 (1）新型納米晶信息功能陶瓷材料的制備科學(xué) 信息功能陶瓷納米微粉的新的制備方法和原理； 功能陶瓷低維材料的制備技術(shù)和控制原理； 納米晶陶瓷致密塊體材料制備的控制燒結(jié)技術(shù)與燒結(jié)動(dòng)力學(xué)。 (2）納米晶信息功能陶瓷微結(jié)構(gòu)、尺寸效應(yīng)與外場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)問(wèn)題 納米尺寸下功能陶瓷微結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)控制與界面效應(yīng)； 納米晶鐵性材料的疇結(jié)構(gòu)控制、尺寸限制和外場(chǎng)響應(yīng)； 納米晶信息功能陶瓷的多場(chǎng)和強(qiáng)場(chǎng)響應(yīng)與調(diào)制。 (3）納米晶復(fù)相陶瓷、有機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合功能材料等多層次復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備科學(xué)與功能效應(yīng)。 (4）納米晶信息功能陶瓷與微電子器件集成的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)

34、題 (5）納米晶陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算3鐵電壓電陶瓷材料及新型元器件l）發(fā)展趨勢(shì)：壓電器件的小型化、片式化、薄膜化和集成化成為壓電陶瓷器件研究的新熱點(diǎn)；研究在各種苛刻環(huán)境（如深海、太空等）下工作的新型壓電器件 20世紀(jì)70 年代初提出的準(zhǔn)同型相界(MPB)概念對(duì)于壓電陶瓷材料的研究和應(yīng)用開發(fā)發(fā)揮了重要的作用，近年來(lái)對(duì)壓電陶瓷準(zhǔn)同型相界的特征和本質(zhì)又有了新的認(rèn)識(shí)。理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的進(jìn)展極大地推動(dòng)了對(duì)在準(zhǔn)同型相界附近鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電材料電場(chǎng)誘導(dǎo)相變和電疇組態(tài)變化過(guò)程的研究，期望能為設(shè)計(jì)和制造更好的陶瓷和單晶材料提供更多的理論指導(dǎo)。 近年來(lái)材料研究中取得的另一個(gè)重大進(jìn)展是大尺寸弛像

35、鐵電單晶材料的制備及其異常壓電性能的發(fā)現(xiàn)。對(duì)于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的弛豫鐵電體與普通鐵電體固溶組成的材料在MPB 的結(jié)構(gòu)變化、相組成、疇結(jié)構(gòu)的工程化調(diào)控應(yīng)該是當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)，在理論上和應(yīng)用背景上都有重要意義。 壓電陶瓷的無(wú)鉛化。發(fā)展非鉛系的環(huán)境協(xié)調(diào)性的壓電鐵電陶瓷具有重大實(shí)用意義，但至今還沒(méi)有能找到和PZT 的性能相比較的材料。Saito 等在Nature上發(fā)表文章，說(shuō)明通過(guò)摻少量的Li、Ta、Sb后通過(guò)（K，Na) NbO3 為基陶瓷的準(zhǔn)同型相界組成區(qū)域的變化，并經(jīng)織構(gòu)化處理，最好試樣的性能已可與PZT 相比較。 壓電陶瓷器件使用條件的要求變得越來(lái)越苛刻。PZT 陶瓷的實(shí)際使用溫度上限約為1/2

36、TC ，即低于170180 ，限制了它在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，探求高溫、高性能壓電陶瓷材料將是鐵電壓電陶瓷研究的重要課題。鐵電疲勞一直是鐵電學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。對(duì)鐵電陶瓷的場(chǎng)致疲勞的研究，不僅對(duì)于鐵電材料和器件的應(yīng)用具有實(shí)際意義，同時(shí)可以加深對(duì)強(qiáng)場(chǎng)下鐵電極化反轉(zhuǎn)、電疇結(jié)構(gòu)演變、缺陷影響機(jī)制和非線性根源等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。鐵電厚膜和薄膜的應(yīng)用2）重要科學(xué)問(wèn)題 鐵電壓電陶瓷的先進(jìn)制備科學(xué) 鐵電壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)與微結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)； 高性能壓電陶瓷薄膜和厚膜的先進(jìn)制備及集成化技術(shù)基礎(chǔ)； 無(wú)鉛壓電陶瓷材料新體系及其織構(gòu)化制備科學(xué)； 高居里點(diǎn)鐵電壓電陶瓷材料新體系。鐵電壓電陶瓷的微結(jié)構(gòu)調(diào)制與外場(chǎng)響應(yīng) 壓電

37、陶瓷準(zhǔn)同型相界的結(jié)構(gòu)特征與機(jī)電響應(yīng)本質(zhì)； 壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)特征與疇結(jié)構(gòu)工程化調(diào)制。鐵電壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)變異與多場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)響應(yīng) 多場(chǎng)（電場(chǎng)、應(yīng)力和溫度場(chǎng)）耦合作用下鐵電壓電陶瓷機(jī)電性能的非線性響應(yīng)與疇結(jié)構(gòu)演變； 鐵電壓電陶瓷與器件的場(chǎng)致疲勞與失效。 鐵電復(fù)相陶瓷材料的多功能化與多場(chǎng)耦合效應(yīng)4微波介質(zhì)陶瓷材料1）發(fā)展趨勢(shì) 具有實(shí)用價(jià)值的代表性材料體系主要有：Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體（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。這些材料目前難以完全適應(yīng)現(xiàn)代微波通信技術(shù)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷越來(lái)越高的要求，并且上述材料體系中尚有若干重要基礎(chǔ)問(wèn)題并未得到解決。此外，雖有不少關(guān)于改性Pb(B,B)O3 陶瓷以及LnAlO3 陶瓷( Ln La , Nd , Sm）的基礎(chǔ)研究，但前者存在嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，且綜合性能無(wú)法超過(guò)Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體，而后者綜合性能難以與BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr, Sn)TiO4、Ba(Zn1/3Ta2/3)O3、Ba (Mg1/3Ta2/3)O3等相比。 有關(guān)微波介質(zhì)陶瓷的基礎(chǔ)研究還很不夠，采用傳統(tǒng)電介質(zhì)理論難以解釋超

39、高頻下（主要在微波頻段）介質(zhì)的高介電常數(shù)、低介電損耗和小溫度系數(shù)，尚不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)有材料的改性和新材料的開發(fā)，具體表現(xiàn)在：普適的微波介質(zhì)極化理論有待建立； 對(duì)于微波陶瓷的介質(zhì)損耗和改善機(jī)制缺乏深入認(rèn)識(shí)；介電溫度特性的調(diào)節(jié)機(jī)制尚需深入研究；一些微波陶瓷材料新體系缺乏必要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和相平衡圖。2）重要科學(xué)問(wèn)題 Ba6-3xLn8+2xTi18O54基固溶體的低損耗化（高Q 值化）與高介電常數(shù)化； 中介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷新材料（5070 ）探索； 低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的超低損耗化； 低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷； 高調(diào)諧率、低損耗、高穩(wěn)定性作線性介電薄膜； 各類典型材料的本征和非本征微波損耗與其結(jié)構(gòu)及

40、微結(jié)構(gòu)敏感性。5半導(dǎo)體敏感陶瓷材料1）發(fā)展趨勢(shì) (1）揭示半導(dǎo)體陶瓷材料的缺陷模型、能帶結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理等之間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)展相關(guān)固體電子學(xué)研究方法。(2）深入研究半導(dǎo)體陶瓷晶界的化學(xué)物理結(jié)構(gòu)、載流子分布、勢(shì)壘模型、復(fù)合介質(zhì)特性及其與宏觀電學(xué)性能的關(guān)系等，探索晶界效應(yīng)起源及相關(guān)理論。(3）深入研究陶瓷的半導(dǎo)體化機(jī)理及與經(jīng)典半導(dǎo)體物理理論的聯(lián)系和差別、研究高溫下雜質(zhì)擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其與材料半導(dǎo)體化之間的內(nèi)在聯(lián)系，此外還包括對(duì)多位取代的半導(dǎo)化機(jī)制的研究。 (4）研究半導(dǎo)體陶瓷材料中載流子的復(fù)合規(guī)律，以期設(shè)計(jì)出性能獨(dú)特的新材料體系。(5）半導(dǎo)體陶瓷的薄膜化技術(shù)成為本學(xué)科研究的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)與

41、半導(dǎo)體工藝兼容進(jìn)而達(dá)到集成的必由之路。2）重要科學(xué)問(wèn)題 (l）半導(dǎo)體陶瓷中離子缺陷和電子缺陷隨溫度、氧分壓的變化規(guī)律，缺陷模型與載流子遷移及導(dǎo)電機(jī)理之間的內(nèi)在聯(lián)系； (2）晶界勢(shì)壘效應(yīng)的起源及與載流子在晶界聚散狀態(tài)的關(guān)系； (3）高施、受主摻雜、多位取代、居里點(diǎn)移動(dòng)等改性理論及半導(dǎo)化機(jī)理，載流子遷移與晶格及晶界散射的作用原理和規(guī)律； (4）多元多相復(fù)合半導(dǎo)體陶瓷的非同類載流子補(bǔ)償機(jī)制、非連續(xù)電導(dǎo)原理，微觀異質(zhì)結(jié)的作用機(jī)構(gòu)及與材料宏觀電學(xué)性能的關(guān)系，多元非固溶相離子交換機(jī)制及載流子遷移規(guī)律； (5）力、熱、聲、光、電、濕、氣等半導(dǎo)體敏感陶瓷的敏感機(jī)理、能帶結(jié)構(gòu)及激發(fā)機(jī)制；(6）半導(dǎo)體陶瓷薄膜中陶

42、瓷-硅單晶界面，金屬-半導(dǎo)體陶瓷界面的表面、界面效應(yīng)；納米薄膜與粉體理論、鐵電陶瓷薄膜外延生長(zhǎng)理論；新一代sol-gel技術(shù)、外延生長(zhǎng)陶瓷薄膜技術(shù)、硅兼容技術(shù)及陣列化技術(shù)中的基礎(chǔ)問(wèn)題。6功能陶瓷的集成化與集成陶瓷系統(tǒng)1）發(fā)展趨勢(shì) 功能陶瓷的復(fù)合化和集成化是功能陶瓷元器件向片式化、模塊化、多功能化、高頻化、高可靠和低功耗發(fā)展的必然趨勢(shì)。 集成化功能陶瓷元器件是以低溫共燒陶瓷（LTCC）為平臺(tái)，采用多層陶瓷技術(shù)將電容、電感和電阻材料以嵌入的方式集成在陶瓷基板中，形成無(wú)源集成陶瓷器件。移動(dòng)通信、微波通信、數(shù)字電視、高速計(jì)算機(jī)、藍(lán)牙技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)等高技術(shù)發(fā)展成為21 世紀(jì)科技進(jìn)步的重要標(biāo)志，其中多層復(fù)

43、合功能陶瓷元器件起著非常重要的作用。手機(jī)和筆記本電腦進(jìn)一步向便捷化、多功能化、全數(shù)字化、高集成化及低成本方向發(fā)展，極大地推動(dòng)了電子元器件的片式化、小型化、低成本及器件組合化和功能集成化。目前每個(gè)手機(jī)中約有250300個(gè)無(wú)源電子元件，因此無(wú)源電子元件的小型化對(duì)手機(jī)產(chǎn)品的輕便化起決定性作用。巨大的市場(chǎng)需求極大地推動(dòng)了無(wú)源電子陶瓷片式元件的小型化進(jìn)程，片式電阻、片式電容、片式電感的尺寸已由原先的1206 和0805 產(chǎn)品，發(fā)展到以0603 和0402 為主流產(chǎn)品，并進(jìn)而向0201 和01005 發(fā)展。 基于低溫共燒陶瓷（LTCC）的多層陶瓷技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，極大推動(dòng)了功能陶瓷元器件的集成化進(jìn)程。L

44、TCC將發(fā)展成為功能集成和陶瓷微系統(tǒng)技術(shù)（MST）的重要平臺(tái)，在通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和生命科學(xué)中將發(fā)揮重要作用。2 ）重要科學(xué)問(wèn)題 低溫?zé)Y(jié)和高性能兼優(yōu)的LTCC 新材料研究的基礎(chǔ)問(wèn)題； 高密度超薄陶瓷膜片的低成本流延制備技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)； 復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷器件內(nèi)電極的形成與通聯(lián)技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)； 異質(zhì)材料的共燒致密化行為、調(diào)控機(jī)制與兼容性的基礎(chǔ)問(wèn)題； 集成陶瓷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和性能評(píng)價(jià)中的科學(xué)問(wèn)題。多層功能陶瓷元件發(fā)展趨勢(shì)分離式片式陶瓷元件復(fù)合化片式陶瓷元器件集成陶瓷系統(tǒng)片式多層電容（MLCC）片式疊層電感（MLCI）片式電阻（壓敏、PTC、NTC）片式多層壓電陶瓷器件（變壓器、驅(qū)動(dòng)器）片式多層微波器

45、件片式多層LC濾波器片式RC組件片式LCR組件片式 Z 模塊L、C、R埋入式多層LTCC集成模塊高性能、低成本PbPdAgAg-PdNiCuNon reducible dielectricsLow fireInjectionFiring in AirIn H2/N2高性能片式電子元件片式天線片式電阻片式電感片式電容片式濾波器片式驅(qū)動(dòng)器片式換能器片式變壓器片式壓敏電阻片式熱敏電阻片式元件多層陶瓷技術(shù) 端電極 內(nèi)電極介電材料多層片式電感(MLCI)示意圖內(nèi)電極 磁性（介電）多層片式電容(MLCC)內(nèi)部結(jié)構(gòu)多層片式電感(MLCI) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)多層壓電陶瓷變壓器輸入輸入輸出接地外形尺寸： 25mm X

46、9mm，輸入電壓 220VAC，輸出電壓 5-10V多層壓電陶瓷變壓器 (降壓型)輸入輸入輸出發(fā)生器發(fā)生器7高溫超導(dǎo)材料1）發(fā)展趨勢(shì) 各類微結(jié)構(gòu)和非均勻性的特征和生成機(jī)理、晶界的形成及控制； 高溫超導(dǎo)電性與材料在納米尺度上的微結(jié)構(gòu)及本征不均勻性的關(guān)系，納米尺度上材料特征的檢測(cè)和分析的原理和手段； 超導(dǎo)薄膜和單晶的成長(zhǎng)規(guī)律； 實(shí)用成材技術(shù)工藝與關(guān)鍵性能的關(guān)系。2）重要科學(xué)問(wèn)題(1）超導(dǎo)材料的晶體結(jié)構(gòu)、相關(guān)系及各類微結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)電性的影響規(guī)律： 超導(dǎo)材料成相的化學(xué)、物理過(guò)程以及與工藝過(guò)程的關(guān)系； 組分、非均勻性和各類微結(jié)構(gòu)（晶界、表面、界而、第二相等）對(duì)超導(dǎo)電性的影響； 納米尺度下各類微結(jié)構(gòu)和非均勻

47、性技術(shù)，氧化物超導(dǎo)材料中各類小尺度的本征電子非均勻性以及晶界對(duì)超導(dǎo)機(jī)理和超導(dǎo)載流能力的影響。(2）超導(dǎo)薄膜和單晶生長(zhǎng)的材料科學(xué)基礎(chǔ)： 超導(dǎo)薄膜的生長(zhǎng)規(guī)律和成膜過(guò)程、各類微結(jié)構(gòu)及其非均勻性、膜與襯底的界面結(jié)構(gòu)以及它們與薄膜性能的關(guān)系； 大面積薄膜、雙面膜和多層膜生長(zhǎng)技術(shù)中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題； 全鈣鈦礦外延異質(zhì)結(jié)的制備、微結(jié)構(gòu)、自旋極化注入、隧道效應(yīng)、界面狀態(tài)、晶格失配、絕緣層的介電性能等對(duì)物性的影響以及相關(guān)器件的基本物理問(wèn)題。(3）超導(dǎo)材料實(shí)用成材技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)： 帶材和纜材成材技術(shù)，單疇塊材、薄膜和結(jié)的制備技術(shù)中的材料科學(xué)和材料工藝學(xué)的基礎(chǔ)性問(wèn)題。8新型磁性陶瓷材料l）發(fā)展趨勢(shì)自旋電子學(xué)的興起和巨

48、磁電阻效應(yīng)：20 世紀(jì)80 年代末，國(guó)際上發(fā)展了一門新型學(xué)科自旋電子學(xué)，是研究自旋極化電子的輸運(yùn)新特性以及新器件的學(xué)科。在過(guò)去10幾年中，美、日和歐洲一些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家對(duì)自旋電子材料展開了大規(guī)模研究和器件應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，并在以計(jì)算機(jī)為代表的信息產(chǎn)業(yè)中取得了驚人的成績(jī)。 1988 年法國(guó)科學(xué)家Fert發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)（GMR）后，它以不可思議的速度進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入了GMR 時(shí)代。計(jì)算機(jī)硬盤在使用GMR 讀出頭后，其記錄密度從60 Mbit / in2 發(fā)展到l00 Gbit / in2 ，提高近1600 倍。超巨磁電阻效應(yīng)： 1993 年人們?cè)阼|系錳氧化物中發(fā)現(xiàn)了驚人的超巨磁電阻效

49、應(yīng)（CMR ) ，高達(dá)127 500 % ，引起全世界的關(guān)注。 多種相互作用的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生了各種奇特的物理效應(yīng)，如超大壓阻效應(yīng)、超大磁致伸縮效應(yīng)、超大磁電阻記憶效應(yīng)、磁場(chǎng)誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變、超大磁熵變化等。 CMR效應(yīng)在光電開關(guān)、磁記錄、讀出磁頭、磁電阻式隨機(jī)記憶體等諸多方面應(yīng)用前景廣闊。CMR材料的高電子自旋極化率（90 以上）預(yù)示其將成為構(gòu)造高效率磁隧道結(jié)的理想材料。 CMR 效應(yīng)的產(chǎn)生伴隨著磁性結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)CMR 機(jī)理的探索雖然提出了各種理論解釋，但對(duì)材料的磁相互作用、相分離、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、金屬絕緣體轉(zhuǎn)變等之間的內(nèi)在聯(lián)系還沒(méi)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。 對(duì)CMR 機(jī)制的正確認(rèn)識(shí)必將能大大推動(dòng)材料科學(xué)、物

50、理學(xué)以及其他學(xué)科的發(fā)展，并為這類材料的實(shí)際應(yīng)用找到新的突破口。 多鐵性體由于同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性以及磁電之問(wèn)的耦合，在多態(tài)信息存儲(chǔ)器件、新型的記憶介質(zhì)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。從原子、介觀和微觀等不同尺度對(duì)鐵電磁體和人工鐵電鐵磁結(jié)構(gòu)材料中的鐵電磁性耦合及其物理效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與理論研究，有利于深入揭示多鐵性以及相關(guān)過(guò)程的物理本質(zhì)，為新材料、新器件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。利用氧化物材料結(jié)構(gòu)上的相似、性質(zhì)上的差異以及多種自由度共存與激烈競(jìng)爭(zhēng)等特點(diǎn)，構(gòu)造氧化物超晶格和多層膜，可為多鐵電性材料和物理過(guò)程設(shè)計(jì)，為新物理現(xiàn)象、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)提供廣闊的空間。2）重要科學(xué)問(wèn)題(l）信息存儲(chǔ)鐵氧體材料的制備科學(xué)問(wèn)題

51、高質(zhì)量鐵氧體單晶和薄膜材料以及納米鐵氧體微粉材料的制備科學(xué)，以期獲得更高的磁記錄密度。(2）自旋電子學(xué)的材料科學(xué)基礎(chǔ) 圍繞當(dāng)前國(guó)際上自旋電子材料和自旋電子輸運(yùn)研究的重大科學(xué)問(wèn)題，開展諸如隧道結(jié)材料、巨磁電阻材料、鐵磁反鐵磁耦合材料、鐵磁半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)等功能特性的研究，探索高自旋極化率材料，促進(jìn)自旋電子材料的物理和器件研制特別是磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）的發(fā)展。(3）磁性納米結(jié)構(gòu)的材料科學(xué) 研究結(jié)構(gòu)均勻有序、性能穩(wěn)定優(yōu)良的自旋電子材料及結(jié)構(gòu)單元的制備科學(xué)；研究磁性多層結(jié)構(gòu)中自旋相關(guān)輸運(yùn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)手段。(4）鐵磁半導(dǎo)體中的自旋工程科學(xué) 以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體材料中將自旋極化電子電流放大為目標(biāo)，研究極

52、化電子注人半導(dǎo)體二維電子氣材料的制備技術(shù)；通過(guò)材料設(shè)計(jì)，探索控制肖特基勢(shì)壘的技術(shù)手段；研究自旋電子在鐵磁半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)過(guò)程中的自旋積累、自旋注入、自旋相關(guān)界面散射和自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)；探索具有應(yīng)用前景的鐵磁/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能新材料。(5）多鐵性體材料的科學(xué)基礎(chǔ)與制備科學(xué) 在原子、介觀和微觀等不同尺度上，對(duì)鐵電磁體和人工鐵電鐵磁結(jié)構(gòu)材料中的鐵電磁性耦合及其物理效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究，在分子甚至原子層次上進(jìn)行新材料設(shè)計(jì)，構(gòu)造氧化物超晶格、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和多層膜。(6）平面化微波鐵氧體器件的制備科學(xué)問(wèn)題 針對(duì)微波鐵氧體器件（如隔離器、環(huán)行器、相移器等）的平面化和集成化，研究包括微波鐵氧體薄膜、厚膜的制

53、備科學(xué)及集成化關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題。四、功能陶瓷的共性科學(xué)問(wèn)題1制備科學(xué)問(wèn)題 (l）高純高活性功能陶瓷粉體的先進(jìn)合成技術(shù)基礎(chǔ)；(2）亞微米納米晶功能陶瓷材料的制備科學(xué)與控制燒結(jié)技術(shù)原理；(3）功能陶瓷低維材料（納米線和納米管狀材料、薄膜、厚膜等）的制備技術(shù)和控制原理；(4）功能陶瓷的低燒與共燒原理與技術(shù)基礎(chǔ)；(5）超薄層微型多層陶瓷元件的制備技術(shù)基礎(chǔ)；(6）功能陶瓷與器件的低成本綠色制造技術(shù)基礎(chǔ)；(7）三維自動(dòng)成型集成功能陶瓷制備技術(shù)基礎(chǔ)。2物理化學(xué)問(wèn)題(l）功能陶瓷的晶界界面效應(yīng)、疇結(jié)構(gòu)與小尺度限制的科學(xué)問(wèn)題；(2）半導(dǎo)體陶瓷的缺陷結(jié)構(gòu)與缺陷化學(xué)原理；(3）功能陶瓷多元體系相圖的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定；(4

54、）異質(zhì)材料的界面擴(kuò)散機(jī)制與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)原理；(5）復(fù)相材料的致密化行為與燒結(jié)動(dòng)力學(xué)；(6）陶瓷薄膜和厚膜的約束燒結(jié)動(dòng)力學(xué)原理；(7）功能陶瓷的納米燒結(jié)動(dòng)力學(xué)原理。3外場(chǎng)響應(yīng)問(wèn)題( 1 ）復(fù)相功能陶瓷的多功能化與多場(chǎng)耦合效應(yīng)機(jī)理；( 2 ）非均質(zhì)材料中電磁場(chǎng)的分布及其對(duì)功能的影響機(jī)制；( 3 ）功能陶瓷的電磁非線性響應(yīng)特性與機(jī)制；( 4 ）強(qiáng)場(chǎng)下功能陶瓷的結(jié)構(gòu)變異及其對(duì)功能的影響機(jī)制；( 5 ）鐵性材料的疇結(jié)構(gòu)特征與疇結(jié)構(gòu)工程化調(diào)制；( 6 ）外場(chǎng)作用下鐵性材料中疇結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和機(jī)制；( 7 ）功能材料的輸運(yùn)特性及其對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)制。4器件設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)( l ）多層陶瓷元器件的老化、疲

55、勞和失效機(jī)理與評(píng)價(jià)方法；( 2 ）功能陶瓷器件的無(wú)損檢測(cè)理論與方法；( 3 ）新型功能陶瓷器件中的計(jì)算仿真與設(shè)計(jì)原理與方法。思考題1、試述功能陶瓷領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢(shì)。2、功能納米陶瓷材料及新型納米陶瓷器件的發(fā)展趨勢(shì)是什么？3、何謂功能陶瓷的集成化與集成陶瓷系統(tǒng)。4、功能陶瓷的共性科學(xué)問(wèn)題有哪些？第三章 金屬的電化學(xué)腐蝕3.1 腐蝕原電池3.2 電極與電極電位3.3 極化3.4 去極化3.5 腐蝕極化圖3.6 金屬的鈍化第三章 金屬的電化學(xué)腐蝕3.7 塔菲爾關(guān)系3.8 能斯特方程3.9 本章主要概念3.10 本章主要內(nèi)容3.5 腐蝕極化圖一、伊文思（Evans）極化圖二、腐蝕電流三、腐蝕控制因素

56、3.5 腐蝕極化圖伊文思（Evans）極化圖不考慮電位隨電流變化細(xì)節(jié)，將兩個(gè)電極反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的陰極、陽(yáng)極極化曲線簡(jiǎn)化成直線畫在一張圖上，這種簡(jiǎn)化了的圖稱為伊文思極化圖3.5 腐蝕極化圖伊文思（Evans）極化圖在一個(gè)均相的腐蝕電極上，如果只進(jìn)行兩個(gè)電極反應(yīng)，則金屬陽(yáng)極溶解的電流強(qiáng)度一定等于陰極還原反應(yīng)的電流強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)室里，一般用外加電流測(cè)定陰、陽(yáng)極極化曲線來(lái)繪制伊文思極化圖3.5 腐蝕極化圖伊文思（Evans）腐蝕圖AB陽(yáng)極極化曲線 BC陰極極化曲線 OG歐姆電位降 CH歐姆、陰極極化總線陽(yáng)極極化率Pa=tg 陰極極化率Pc=tg3.5 腐蝕極化圖伊文思（Evans）腐蝕圖考慮歐姆壓降，腐蝕電流

57、為I，陽(yáng)極極化的電位降：Ea= E a E0a=I tg= I Pa 陰極極化的電位降： Ec= E c E0c=I tg = I Pc 歐姆壓降： Er= I R 腐蝕電池總壓降： E0c -E0a = I （ Pa+Pc+ R） 腐蝕電流：3.5 腐蝕極化圖腐蝕控制因素1）初始電位差與腐蝕電流的關(guān)系2）極化率與腐蝕電流的關(guān)系3）氫過(guò)電位與腐蝕速度的關(guān)系陰極析氫過(guò)電位： 陰極電極材料 表面狀態(tài) 不同金屬表面上氫過(guò)電位不同。 3.5 腐蝕極化圖腐蝕控制因素1）雖然鋅的氫過(guò)電位比較鐵的電位負(fù)，但由于氫過(guò)電位高，鋅在還原性酸溶液中的腐蝕速度反而比鐵??；2）如果在溶液中加入少量的Pt鹽，由于氫在析出

58、的鉑上的過(guò)電位比鋅、鐵 都低，所以鐵和鋅的腐蝕速度都明顯增加。 3.6 金屬的鈍化鈍化現(xiàn)象1）實(shí)際情況中，一些較活潑的金屬在某些特定的環(huán)境介質(zhì)中，都具有較好的耐蝕性。2）Fe在不同濃度的硝酸中的腐蝕 w 40：硝酸濃度上升，腐蝕速率突然 急劇降低鈍化 w80：腐蝕速率又增加，過(guò)鈍化3.6 金屬的鈍化鈍化現(xiàn)象1）金屬或合金在某種條件下，由活化態(tài)轉(zhuǎn)為鈍態(tài)的過(guò)程稱為鈍化。 金屬（合金）鈍化后所具有的耐蝕性稱為鈍性。2）鈍化的實(shí)際意義 可利用鈍化現(xiàn)象提高金屬或合金的耐蝕性。 如人們向鐵中加入Cr、Ni、Al制成不銹鋼、耐熱鋼 在有些情況下又希望避免鈍化現(xiàn)象的出現(xiàn)。 如電鍍時(shí)陽(yáng)極的鈍化常帶來(lái)有害的后果，

59、它使電極活性降低，從而降低了電鍍效率等。3.6 金屬的鈍化鈍化原因（1）化學(xué)因素：鈍化劑 強(qiáng)氧化劑（硝酸、高錳酸鉀、鉻酸鹽、氯酸鹽等） 非氧化介質(zhì)（Mg在HF中、Mo、Nb在HCl中） 溶液和大氣中的氧（2）電化學(xué)因素 采用外加陽(yáng)極電流的方法，使金屬由活性狀態(tài)變?yōu)殁g態(tài)的現(xiàn)象3.6 金屬的鈍化鈍化曲線的幾種類型（1）活化 鈍化過(guò)渡區(qū) 單一電流峰（Fe在稀H2SO4） 多個(gè)電流峰（2）鈍化區(qū) 穩(wěn)態(tài)陽(yáng)極電流是不隨電位而變化 不同電位區(qū)間，其鈍化程度不同。Co表現(xiàn)出逐級(jí)鈍化的情況 少數(shù)金屬，如Ni，鈍態(tài)電流密度是隨電位增加而增加的3.6 金屬的鈍化鈍化曲線的幾種類型（3）過(guò) 鈍化過(guò)渡區(qū) 電位達(dá)到或超過(guò)

60、鈍化電位時(shí)，陽(yáng)極溶解電流又突然隨電位升高而增加，金屬表面經(jīng)受全面腐蝕 當(dāng)電位進(jìn)一步升高，過(guò)鈍化電流達(dá)到某一極限值時(shí)，過(guò)鈍化電流對(duì)金屬表面具有拋光作用。 有兩種過(guò)鈍化模式，一種，如Cr，鈍化溶解產(chǎn)物是高價(jià)離子形式；另一種，如Fe，過(guò)鈍化溶解和鈍化區(qū)溶解的離子一樣。 當(dāng)溶液中存在對(duì)鈍化膜有破壞作用的陰離子時(shí)，且電位達(dá)到某一臨界電位（孔蝕電位），則金屬發(fā)生孔蝕。3.6 金屬的鈍化鈍化曲線的幾種類型3.6 金屬的鈍化鈍化膜的性質(zhì)多數(shù)鈍化膜是由金屬氧化物組成的。在一定條件下，鉻酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽及難溶的硫酸鹽和氯化物也能構(gòu)成成相膜。鈍化膜與溶液的PH值、電極電位及陰離子性質(zhì)，濃度有關(guān)。如果把已鈍化的金