材料科学前沿结课体会

材料科学与工程前沿课程小结

材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能和应用之间相互关系的科学，它对生产、使用和发展材料具有指导意义。材料对人类历史的进展起着重要的作用，人类使用材料已经有这悠久的历史，随着人类文明和生产的发展，对材料的要求不断增加和提高。在近代科学技术的推动下，材料的品种日益增多，不同效能的新材料不断涌现，原有材料的性能也更为改善与提高、力求满足各种使用要求，因此材料学成为科学技术发展的基础、工业生产的支柱。在材料科学发展的过程中，为了改善材料的质量、提高其性能、扩大材料的品种、研究开发新型材料，就必须加深对材料的认识，从理论上阐明其本质，掌握其规律，从而指导实践。随着认识的提高和深入，学者们发现不同类型的材料虽然各有其特点，却又很多共性和相同之处。

在这18次课程中，通过各位教授从他们所研究领域展开的讲解，大大的开阔了我们的眼界，使我们对当下材料科学与工程的各个方面有了一定的了解。各位老师在讲解过程中，通过从其他学科如物理、化学、力学、工程学等领域吸取理论基础，进行彼此间的交叉渗透，并应用各种实验手段从宏观现象到微观结构的表征做测试分析，结合生产与应用实践，予以分析归纳、总结深化。在用比较能够接受的方式讲解，使我们能够比较快的理解。

在课程中所涉及的材料有很多，有种类繁多的金属材料、新型高分子材料、功能陶瓷材料、新型碳素材料以及纳米材料和磁性材料。不仅讲解了以上材料的研究方法，还对以上各种材料的当下最先进的加工和制备方法做了比较详细的介绍，如各种材料工作过程的有限元数值模拟、微观组织和成分的各种表征、以及Mg合金和Al合金以及其他合金在传统加工方法上的改进和新方法的缺陷等等。这些课程不仅使我们能够接触并且了解到现代材料界的新工艺、新理论、新知识、新技术，了解了材料科学与工程的发展趋势和研究状况，使我们对材料科学与工程这个领域的研究方向有了更为直观的了解。从而摆脱了本科阶段对材料科学的模棱两可的状态，对材料科学有了更为清晰的理解。为我们以后即将展开的科学研究奠定了一定的理论基础，并且提高了宝贵的经验以供我们参考，也带给了我们一些研究的灵感。同时在课程中还介绍了加工材料的当下世界最先进的设备，开拓了我们队实验设备的认识，为我们以后在材料加工、性能测试和材料微观表征实验时奠定了基础。

在这一个学期的学习中，每一位教授都给我们强调创新的重要性。创新乃是科学研究的本质要求，没有创新就没有提高。创新思维是科学研究的核心，面对越来越复杂的工程技术和人类遇到的各类复杂的新问题，都要求科学工作者运用创新思维。科学研究需要探索，需要创造，我们应该在即继承前人的成果的前提

上，结合自己的研究加以创新，而不是一味的照搬前人的思想。而是不墨守成规、不顺从于权威、不走别人的老套路，在自己的实验中，通过对一些新现象的敏锐的观察和分析，从而得出一种新的结论，再逐步完善成为一种新工艺、新技术，甚至是新理论。创新的思维方法在我们以后科学研究中有着重要的作用。当然创新不只是科学理论的创新，还有技术上的创新，理论创新是着重对自然界的研究并获得新发现，具有基础性特点，这应该成为我们研究生日后进行科研工作的主体，技术创新则是着重将基础科学研究成果转化为技术服务人类，强调成果的应用性，是理论创新的延续，但是二者又是有机的结合着，理论创新知道技术创新，但是有时技术上的创新有可能促进理论上的进步，我们必须认清这一点，不可以忽视两者中的任何一个。我们应该在掌握一定专业理论的基础上，借助一定的实验设备的相关的技术，运用专业知识开展科研工作。

通过这些课程，使我们学到了做研究的思路和方法，这些不仅包括了他们所研究领域的专业知识，更重要的是里面含有他们的观察问题的角度、解决问题的思路、设计实验的方法步骤，以及这项课题的创新点，有何实践价值，对工业生产的意义。每一个方面都做了详细的讲解，使我们了解了不同老师考虑问题的共同点和存在差异的地方，为我们对以后课题的开展和如何正确进行自己课题的科学研究提供了借鉴与参考。

在上课的过程中，每一位老师都在强调交流的重要性与必要性，交流不只是局限于单个课题组或者实验室的交流，而是不同课题组、实验室甚至是不同学科，之间的交流，而且还是不同学校之间的学术的交流。一个人的能力和精力是有限的，所以不可能对所有领域都精通，所以加强交流不但能使我们在以后的科研工作中加深对各个研究方向的理解，而且当我们需要对我们所不熟知的领域的材料的性能加以分析研究时，就可以向精通该领域的同事或者同学寻求帮助。广泛的学术交流，每个人都会得到很多方面的信息，认识到以往所认识不到的东西，必然会受到启发，特别是在学术讨论的现场，别人的一句话或者一个观点可能立即启发你与自己的研究成果加以联想，使你许久都没能攻破的的问题因为有了新的想法和新的思路以及新的突破口而迎刃而解。同时，在你介绍你的想法时，别人会对你的想法提出意见或者改进的措施，这样会使你对自己的法案进行完善，更好的进行科学研究。当然交流是双向的，我们不仅要听取他人的意见和建议，而且要发表自己的意见和建议，要把自己的科研成果和观点介绍给对方，为此要系统的总结自己的研究成果，提出自己的观点，并用实验数据支持自己的观点，而且要用简单明了的语言表达清楚的观点，这对提高自己的表达能力有极大的帮助。因此，加强学术的交流队我们研究生日后的科研工作具有重要的影响。

一学期的课程虽然已经结束，但我仍然觉得意犹未尽，回想下这门课，给了

我很大的震撼与启发，从小学到高中再到大学，我们接受的都是拿来形式的教育，我们思考问题的方式仅仅局限于课本，逐渐的成为了解答题目的机器，很庆幸的是在研究生阶段还有这么一堂讲座形式的课程，能让我们从本科阶段机械性的考虑问题的模式中解脱出来，不仅学习到了知识，还领悟到了思维的改变。联系到我自己高熵合金的研究方向，至1970 年，传统合金在200 年里经历了无数锤炼，已经发展出30 余种合金体系，在特性上达到了相当高的境界， 但是在许多方面还无法满足设计需求。所以近30 年来，材料学家们尽最大努力与想象力欲寻求突破，研制出了如介金属材料、金属基复合材料和金属玻璃等新型材料， 但这些合金依然走不出传统合金体系。而高熵合金是伴随着大块金属玻璃的研究热潮而逐渐发展起来的。在块状非晶态合金(即金属玻璃)的设计中，以多种元素构成基体，再添加其他元素的方式为设计理念， 但在设计中依旧保持有某种元素的原子百分比至少超过40%的设计思维。随着研究的深入，以叶均蔚为首的一些学者们打破了这一旧规， 尝试将多种元素的原子比控制在相近的范围内， 使得无一种元素原子比超过35%，而这一创新性的研究思维终于使高熵合金展现在世人面前。目前对高熵合金多元体系研究还相对较少，而且研究表明，还有一些其他方面会对高熵合金性能产生显著影响，而且现在对于高熵合金的研究还仅仅是局限于其力学性能、磁学性能等，对高熵合金的合金化过程机理的研究也相对较少。因此对于我们做高熵合金研究的学生还有学者们在提供了机会的同时，也具有很大的挑战，因此这个学期的材料科学与工程前沿课程为我以后的研究工作打下了坚实的基础。

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目录

一 电子陶瓷的定义 .................................................................................. 2

二 电子陶瓷的分类 .................................................................................. 3

1.绝缘装置瓷 ................................................................................................... 3

2.电容器瓷........................................................................................................ 3

3.铁电陶瓷........................................................................................................ 3

4.半导体陶瓷.................................................................................................... 3

5.离子陶瓷........................................................................................................ 4

三 电子陶瓷元器件 .................................................................................. 4

1.基板材料 ...................................................................................................... 4

2. 电阻基体材料.............................................................................................. 4

3. 电容器陶瓷介质材料.................................................................................. 4

四 电子陶瓷的发展趋势 .......................................................................... 5

1. 高导热电绝缘陶瓷 .................................................................................... 5

2. 压电陶瓷...................................................................................................... 5

3. 介电陶瓷...................................................................................................... 6

4. 快离子导体陶瓷.......................................................................................... 6

五 结束语 .................................................................................................. 6

参考文献 .................................................................................................... 6

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电子陶瓷的发展与应用

摘要：电子陶瓷在过去十多年里获得了重大发展，本文对电子陶瓷进行了一定的介绍。从功能与用途上对电子陶瓷进行分类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。介绍了电子陶瓷元器件：基板材料、电阻基体材料、电容器陶瓷介质材料；并对电子陶瓷系统中的绝缘材料、介电材料、压电材料与离子导体材料的研究进展进行了综合评述。指出了电子陶瓷材料及其生产工艺的研究动向和发展趋势。

关键词：电子陶瓷、材料、研究、发展趋势

Abstract: The electronic ceramics in the past ten years to get a significant development, the paper carried a certain amount of electronic ceramics introduced. From the function and use of electronic ceramics classification: Insulation device porcelain, ceramic capacitors, ferroelectric ceramics, semiconductor ceramic and ionic ceramics. Introduced electronic ceramic components: a substrate material, the resistance matrix material, a ceramic capacitor dielectric material; ceramic systems and electronic insulating materials, dielectric materials, piezoelectric materials research progress ion conductor material and conducted a comprehensive review. Pointed out the trend of electronic ceramic materials and research and development trends of the production process.

Keywords: electronic ceramics, materials, research, development trends

一 电子陶瓷的定义 电子陶瓷（electronic ceramic）在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。

电子陶瓷或称电子工业用陶瓷，它在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度

【1】系数可以调整（或电容量变化率可调整）。抗电强度和绝缘电阻值高，以及老

化性能优异等。

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二 电子陶瓷的分类 电子陶瓷按功能和用途可以分为五类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。

1.绝缘装置瓷 简称装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为MgSiO3及Al2O3。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低，是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随Al2O3含量的增多而提高【2】。常用的有含75％、95％、99％Al2O3的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中，甚至还使用Al2O3含量达99.9％的纯刚玉瓷，其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷,尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难，烧成温度高、价格贵。

2.电容器瓷

用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷【1】。

3.铁电陶瓷

功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件，这是铁电陶瓷的主要应用，因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性（在温度变化时，因极化强度的变化而在铁电体表面释放电荷的效应）可以制成红外探测器件，在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅（PbTiO3）等。利用透明铁电陶瓷PLZT（掺镧的钛锆酸铅）的强电光效应（通过外加电场对透明铁电陶瓷电畴状态的控制而改变其光学性质，从而表现出电控双折射和电控光散射的效应），可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器，以及激光或核辐射防护镜等新型器件【1】。

4.半导体陶瓷

通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性（或半导体性）晶界，从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法（亦称原子价控法）两种【1】。两种方法都是在陶瓷的晶 3

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体中形成离子空位等缺陷，从而提供大量导电电子，使陶瓷中的晶粒成为某种类型（通常是N型）的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型（P型）的半导体层【1、3】。

5.离子陶瓷 快离子导电的电子陶瓷，具有快速传递正离子的特性。典型代表是β-Al2O3瓷。这种陶瓷在300℃下离子电导率可达0.1/（欧・厘米），可用来制作较经济的高比率能量的固体电池，还可制作缓慢放电的高储能密度的电容器【3】。它是有助于解决能源问题的材料。

三 电子陶瓷元器件

1.基板材料 目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料，然而随着电子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向发展，迫切希望采用高导热系数陶瓷基板，理论上最适宜的候选材料有金刚石（C）、立方氮化硼（BN）、氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）和氮化铝（AlN）等。由于 AlN 导热系数高达 250 W・m-1・K-1，虽比 SiC 及 BeO 略低，但比 Al2O3略高 8~10 倍，其体积电阻率，击穿强度，介质损耗等电气性能可与 Al2O3瓷媲美，且相对介电常数较低，力学强度也较高，热膨胀系数为 4.4×10-6・℃-1，接近于 Si 可进行多层布线【4】。可以认为是最佳候选材料之一。

2.电阻基体材料

电阻是电路的基本元件，应用面广，需求量大。一般碳膜、金属膜电阻技术含量较低，产品价值不高，单件产品为微利，由于原材料、劳动力、能源等因素，目前国际市场有一定销路，但国内市场，价格竞争激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高稳定性新型片式、无感电阻国内外市场广阔，具有良好的社会经济效益，由于技术和装备方面的问题，目前我国尚处于起步阶段。

3.电容器陶瓷介质材料

近年来主要发展趋势是寻求大容量、小尺寸、高可靠、低价格的陶瓷电容器。与传统 BaTiO3基介质材料相比，为提高介电常数和改善性能，出现了复合钙钛矿型材料【5】。值得指出的是利用半导体p-n结的原理发展起来的晶界层电容器（GBLC）的出现，其视在介电常数较常规瓷介电容器的介电常数提高数倍至数十倍【6】。以SrTiO3为基的晶界层电容器具有高介电常数，低介质损耗，低温度系数以及色散频率较高等优点，是最有发展前途的瓷料之一。

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四 电子陶瓷的发展趋势 当前电子信息正向着集成化、微型化和智能化方向发展，相应要求电子元器件逐步向微型化、薄膜化、多功能、高性能、高可靠性和高稳定性方向发展。近些年来，电子陶瓷的研究和开发十分引入注目，许多科研机构正在研究电子陶瓷新材料、新工艺和新器件，以满足电子科学技术对高性能陶瓷的要求【6】。现今已在诸多方面取得成果，对电子陶瓷粉体的制备方法的研究也取得了巨大进展。

1.高导热电绝缘陶瓷 （1）新材料的开发，一方面，在原有材料的基础上开发新的材料，如在SiC中添加2%BeO，构成的SiC--BeO2%高导热电绝缘材料，性能优于BeO；另一方面，独立开发新材料，现在正在开发中的有氮氧化硅、SiC纤维、氮化硅系列纤维等【7】。

（2）在原料上除采用纯度高的化合物外，高导热电绝缘陶瓷的成形和烧结工艺也给予了材料工作者较多的研究内涵，并取得了较大的进展。19xx年Bergmann等提出了陶瓷粉末的冲击波活化烧结新工艺的概念。几十年来，全世界的材料工作者作出了很多努力，得到了很大的进展【8】。韩巍、薛鸿陆在清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的资助下，也做了很多的工作。在成型工艺上，20世纪90年代开发出2种泥浆原位凝固的成型工艺：凝胶浇注和直接凝

【9】聚浇注工艺。在国外的一些实验室中已成功地利用这2种工艺制备形状复杂

的氧化铝、氮化硅、碳化硅等制品。

（3）近年来，针对高导热电绝缘陶瓷性价比低而导致应用滞后于研究的现状，一些科技工作者转而研究提高高导热电绝缘陶瓷的性价比，以期改变应用落后的现状【6】。

2.压电陶瓷

展望压电陶瓷的未来，随着压电效应新应用的发展，满足所要求的各种新特性组合的压电陶瓷今后将不断发展。开发无铅或低铅的压电陶瓷的必要，其研究正在日本、美国的一些大学开展。作为无铅压电陶瓷最早使用的是BaTiO3（BT），

【10】现在是以钙钛矿型系列为主要无铅压电材料。Bi0.5Na0.5TiO3是一种A位复

合钙钛矿铁电体，具有铁电性强，压电常数较大，介电常数小，声学性能好等优良特性，且烧结温度较低，被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一。但单纯的Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷矫顽场强大，在铁电相区电导率高，从而难以极化，其压电铁电性能也难以发挥，因而单一的Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷很难实用化

【11】。近年来，人们就Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷改性及其相变特性进行了广泛的研究，并取得了较大的进展。

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3.介电陶瓷 今后几年介电陶瓷的重要方向仍将是镍内电极多层陶瓷电容器（MLC）和微波介质陶瓷。具体表现在多层陶瓷器件的微型化、集成化和功能化，MLC的介质层厚度的进一步减小，超高频通信系统用的陶瓷元件、低温烧结的高Q、高介电常数介质材料的研究和开发。微波介质滤波器的需求是通信市场发展的结果。目前，大多数厂家的生产都集中在温度稳定的低损耗介质上，和电容器一样，微波滤波器的尺寸也需要减小。这只能采用高介电常数的介质或多层结构来实现。此外，值得注意的是，随着人们环境意识的增强和对有毒原料的担心，含铅材料的开发将被减少，甚至中断【6】。如PbO基驰豫介质PbO3及相关化合物，虽然开发很成功，但在日本用的很少，今后商业化的使用还可能消失。

4.快离子导体陶瓷

目前离子导电陶瓷主要有2大方面的应用：（1）用作各种电池的隔膜材料；

【12】（2）可用作固体电子器件。人们对固体电子器件的重视是因为它可用作新型

的固体电解质电池。已实用化的有燃料电池、常温一次电池、蓄电池等。在低能电池应用方面有银离子、铜离子、锂离子和氟离子固体电解质电池。其中锂碘电池由于具备高可靠性和长寿命特性，已用作心脏起搏器电源。正在研究的高能电池有钠硫电池、燃料电池、锂电池等。

五 结束语

从材料角度而言，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。因此，发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。实现陶瓷集成的关键在于发展性能优异的低温共烧陶瓷材料以及先进的异质材料共烧技术，这已成为当前信息功能陶瓷领域重要的研究方向。

参考文献

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[12] Gallop J. Microwave applications of high -temperature superconductors [J]. Supercond.Sci.Technol.,1997,10,A120-A141.

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