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特种陶瓷现状
摘自陶瓷行业论坛
能源，材料和信息是当代文明的三大支柱。新材料是新技术，新产业赖以形成和发展的基础，特种陶瓷（工程结构陶瓷，电子陶瓷，生物陶瓷）具有电、声、光、磁、热、力学、化学、医学等一种或多种物理，化学功能，在许多场合不论现在或将来都不能为其它材料所取代，已成为用途广泛，迅速发展的新兴产业，各发达国家均投入大量人力，物力研究和开发，竞争十分激烈。美国提出的“先进材料与材料制备”计划，每年用于材料研究工程费高达20~25亿美元，以提高其竞争力，越来越多的国家已意识到，就某种意义上说，谁掌握了高性能材料，谁就掌握了未来的先进技术，另一方面，特种陶瓷材料属技术密集，知识密集的学科，材料的性能不仅与化学组成有关，而且很大程度上取决于材料内部结构,而结构的形成又与材料制备起始状况，工艺过程等密切相关。因此研究开发的特点是要求高，难度大，获取技术和情报困难，引进高级技术，人才十分不易，价格十分昂贵。
当前工程结构陶瓷的研究经历了一段全球“陶瓷热”的鼎盛时期后已逐渐冷静下来，转入深入细致的基础性工作。针对结构陶瓷的弱点之一的脆性，近年来，陶瓷材料科学家围绕提高陶瓷韧性方面进行了许多卓有成就的研究；电子信息正向着集成化，微型化和智能化方向发展，相应地要求电子元器件逐步向微型化、薄膜化、多功能、高效能、高可靠性和高稳定性方向发展；生物陶瓷作为医用材料和金属材料.高分子材料相比，具有生物相容性好的优点，正受到医疗界的重视，已成功用于人造骨，关节，牙齿等。
特种陶瓷种类繁多，本文仅就某些陶瓷材料及其相关问题，提出某些见解进行商讨，以期促进我省，我国特种陶瓷的迅速发展。
1、基础研究和应用基础研究
特种陶瓷材料的开发应用首先依赖于新材料的发现和人工合成。由于现代科学技术的发展，化学与材料科学的发展与有机结合，产生了材料化学，物理与材料科学紧密结合形成了材料物理。近百年来，新化合物、固溶体、多晶型等不断涌现。特种陶瓷领域中，合成化合物及材料特性方面取得了某些重大进展（表1）。
伴随着电子陶瓷元器件向轻、薄、短、小、多功能、高性能、高可靠性、高密度表面组装的发展需要，以及日益激烈的市场竞争,要求高合格率和低成本化，必须加强基础研究和应用基础研究。当前国内虽然有一批知名企业、单位，正从事这方面相关的研究工作，并已取得了长足的进步。但另一方面大都为跟踪研究，很少或缺乏独立自主的基础研究和应用基础研究。例如，有人对纳米材料基本特性尚缺乏应有的认识，就提出许多纳米产品进行误导；又如陶瓷相图研究国外十分重视，它是一项长期艰苦的复杂工作，国内已很少见到这方面的报导；界面物理化学及陶瓷材料设计等方面的工作，由于对仪器设备，计算技术要求高，费用大，国内至今这方面的工作少见报道；机械装备设计，加工制造与工艺人员的脱节，表现在现代化、高性能、高可靠方面和国外相比还有不小差距，以至进口装备的价格仍较国产同类或相近产品要高5~10倍。
表1 典型电子陶瓷材料重大发现历程表
材料名称 发现者 时间（年） 材料特性 ZrO2(Y2O3) 能纳斯特 1900 氧化物导电体 β-Al2O3(MgO,CaO) 伦琴 1916 固体电解质 (Na2O) 斯提威尔 1926 固体电解质 BaTiO3 坦曼 1925 铁电体 ZrO2(CaO) 鲁夫 1929 氧气传感器 LiNbO3 修义 1937 压电、非线光学 BaFe12O19 艾多斯科尔德 1938 铁氧体、记忆材料 非晶硅 康尼格 1944 太阳能电池 合成沸石 巴勒 1948 催化剂 PTC陶瓷 海曼 1950 热敏材料 半透明Al2O3陶瓷 科布尔 1957 透明 BaxLa5-xCu5O5(3-y) 贝德洛茨等 1986 高温氧化物超导体
2、粉料制备技术
众所周知，高纯度，粒径分布窄，无团聚，确定晶型的粉体是获得高性能陶
瓷材料的物质基础。新旧世纪交替之际出现的纳米材料已引起世界许多科学家的极大关注。有些科学家认为它是蒸汽，电力，网络之后第四个时代.纳米也可称第四态（气、液、固、纳米态）。有报道预测到2010年全球纳米技术相关产品市场高达每年1085亿美元，其中材料占31%，电子28%，医药17%，化学品9%，其他15%。值得一提的是，美国重点发展—合成，化学与生物；日本—分子机械，欧洲—药物传输，德国—应用面为主。从我省及我国当前实际情况出发，研究开发高纯度，高性能的微米，亚微米，纳米粉料有着宽广的市场和良好的社会经济效益。必须指出，当前粉料制备技术中比较突出的问题是如何实现高纯度，高性能，大批量，系列化，低成本化；如何解决废水，废气，粉尘对环境的污染，实现可持续发展，替代进口，参与国际竞争。
3、特种陶瓷材料
（1）纳米陶瓷：它是指晶粒尺寸，晶界宽度，第二相分布，缺陷尺寸均在100nm以下,并具有纳米材料固有特征的陶瓷材料。必须指出，即使采用纳米粉料，坯体在烧成过程中往往发生晶体迅速成长，甚至出现二次重结晶等问题，结果导致产品已不是纳米陶瓷，而是微米陶瓷，因而失去了纳米材料的固有特性，也就不能称为纳米陶瓷.另一方面近来许多报道表明，一旦获得纳米陶瓷，将可望克服陶瓷材料的脆性，而且有显著的超塑性和高强度。
（2）陶瓷分离膜：它是一种固态膜，主要有两部份构成，即膜支撑体及多孔膜。支撑体广泛采用含铝量高的氧化铝陶瓷。多孔膜主要由AL2O3，ZrO2，TiO2和SiO2等为主体构成。一般分离膜孔径为：2~50nm，有时达微米级，其品种，规格日趋多样化。分离膜通常具有化学稳定性好，能耐酸，耐碱，耐有机溶剂，机械强度高，耐磨性好，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布范围窄，分离效率高等特点。目前许多产品已在废水处理、果汁生产、固液分离等方面获得应用，可望在环境工程，石油化工，生物工程，冶金工业及纳米粉料制备等众多领域获得广泛应用，市场前景颇好，社会经济效益显著。当前陶瓷膜分离技术发展迅速，正向着介孔膜及气气分离膜方向发展。
（3）仿生复相陶瓷：为克服陶瓷材料的脆性，提高其韧性，国内外许多科学家们从对天然生物材料如竹，贝壳等的结构特征所进行的判析中得到启示，从而进一步对结构陶瓷的材料设计，制备工艺等多方面进行了研究。果然，获得了某些仿生复相陶瓷。主要技术措施有纤维、晶须补强，颗粒弥散，自补强（原位生长），多相补强以及表面改性等。例如，YTZP陶瓷材料，室温强度已达2000mpa以上，KIC已超过15，达到了可与某些金属材料比较的强度。又如，SiC陶瓷通N2形成Si3N4表面层，使强度和断裂韧性均有明显提高。总之复相特种陶瓷材料所具有的高强度，高耐磨性等特点，在高科技领域中的应用已取得显著效果，已成为结构陶瓷研究热点之一。
（4）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250W·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，介电损耗等电气性能可与Al2O3瓷媲美，且介电常数较低，机械强度也较高，热膨胀系数为4.4ppm/℃，接近于Si可进行多层布线。可以认为是最佳候选材料之一。目前日本德山曹达、东芝及美国一些公司已开始相当规模的应用，AlN陶瓷年总产量已逾千吨。国内目前AlN基板尚处于起步阶段，主要基本指标导热率大都在130~180?W·m-1·K-1。一些研究单位科技攻关产品性能已接近国际水平，但高性能、批量化、产品一致性和低成本化等方面的问题尚有待进一步解决。
（5）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。
（6）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。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。以SrTiO3为基的晶界层电容器具有高介电常数，低介电损耗，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。目前，国内少数厂家已进入批量生产，然而在高性能、高合格率方面尚存在一定差距。可以相信，晶界层多层电容器（GBMLC）瓷料的出现将使电容器向小型化方向发展取得重大突破。
（7）压电陶瓷材料
压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换重要的功能材料，广泛应用于音响设备、传感器、报警器、超声清洗、医疗诊断及通讯等许多领域。一般压电陶瓷材料为锆钛酸铅（PZT）系，有的瓷料中氧化铅含量高达60~70%左右，由于生产过程中产生的粉尘及烧结过程中的铅挥发，这不仅给工艺和产品质量稳定带来诸多问题，而且给生态环境和人类的健康带来危害，研究新型无铅压电陶瓷以减少对环境的污染己成为一项十分紧迫的任务。
1961年前苏联学者Smolensky等人发现钛酸铋钠（Bi1/2Na1/2）TiO3，简称BNT为钙钛矿型（ABO3）铁电体。其居里点为320℃。极化困难限制其实际应用，直到80年代末，90年代初日本学者Takenaka等人用Ba++?对Bi1/2Na1/2?进行A位置换，出现了BNT－BaTiO3系，即BNBT系压电陶瓷，解决了BNT难以极化问题；获得频率常数高，介电常数较小，具有很大各向异性的新体系。可望在超声领域中获得应用，近年来国内外一些学者大都以BNBT系为基进行改性研究，并已取得某些进展，然而寻求无铅高性能压电陶瓷新系统取代传统的PZT系统决非易事，还有许多工作要做。
（8）微波陶瓷介质材料
自从1971年Masse等人首次提出采用四钛酸钡（BaTi4O9）作为微波陶瓷介质材料以来，随着现代通讯技术的不断发展，尤其是移动通讯向着高可靠，小尺寸方向发展，对材料的要求越来越高。为满足不同用途的要求，微波陶瓷介质材料种类有很多。主要有：TiO2；2MgO·SiO2；Al2O3；MgTiO3；BaTi4O9；BaTi9O20；(Zr,Sn)TiO4；Ba(Zr,Ti)O3；MgTaO3；BaO-ZnO-Nb2O5-Ta2O5；（Ca,Sr,Ba）O-ZrO2；BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系统。无论哪种系统，一般都希望微波陶瓷材料具有适宜的介电常数ε，尽可能高的品质因素Q0，尽可能低的频率温度系数τf，最好~0ppm/℃。我国目前通常按介电常数分为：低介ε≤20；中介ε~40；高介ε~100三大类。必须指出，高性能微波陶瓷的技术含量高，研制难度大，尤其是精确测定微波频率下的Q0。随着科学技术不断进步，使用频率越来越高，从几百兆正向着数十兆方向发展，近期可望达~40G。国际上美国已完成ε从2~250系列化研究工作，日、俄、德、法等少数国家已掌握高性能微波陶瓷的生产技术，由于技术垄断和保密等原因，微波陶瓷元器件的售价昂贵。当前为满足移动电话、汽车雷达、卫星通讯、全球定位系统、射频控制、基地站等民用及军工技术对微波陶瓷元器件日益增长的需要，在微波陶瓷材料取得进展的基础上，进一步研究开发高性能同轴谐振器、柱状、环状谐振器、补丁天线等微波陶瓷元器件已提到重要议事日程。
（9）热敏陶瓷材料
热敏陶瓷材料主要包括负温度系数（NTC），正温度系数（PTC）及具有临界温度的负温度系数（CTR）三大类材料。前两类热敏电阻应用最广，相对来说NTC热敏电阻已有相当大的生产规模，技术也较完善，PTC热敏陶瓷用途极为广泛，产品品种繁多，性能方面与国际水平的主要差距表现为高性能、稳定性、一致性等诸方面.这些差距正在缩小，为克服高温PTC材料含铅污染环境的缺点，NiO-ZnO-TiO2系新材料已经闻世，加热温度已达290℃，可望在温度传感，加热及控制等方面获得应用。看来，寻求无铅新材料，进一步提高高温PTC热敏陶瓷性能，是一项有意义的工作。
综上所述，可以看出特种陶瓷种类繁多，性能各异，用途广泛，进一步发展特种陶瓷意义重大。
4、展望与思考
从电子元器件行业状况来看，产品门类多，技术水平参差不齐，产品结构不尽合理，市场急需的各类新型元器件有的不能有效供给，尤其是以表面贴装技术为核心的新一代电子元器件产业跟不上形势需要。加入WTO，欧、美、日等发达国家看到中国有丰富的原材料，廉价的劳动力，巨大的市场会不断有特种陶瓷厂迁到中国。这样，必然会加剧国内外市场份额的竞争。可以认为，无情的竞争必将使许多产品价格一路走低，致使一些内资企业面对强大的国际竞争对手，更是举步维艰。众多企业家们已经或者将会意识到，市场竞争，高技术含量产品的竞争，价格竞争，优秀人才的竞争，信誉的竞争都是客观存在的挑战。其必然的结果是适者生存，不适者淘汰，怎么来应战，就得靠自身努力了。如何应对呢？是否可以从以下几方面考虑呢？
（1）了解信息和技术
从未来发展着手，了解新一代更新材料及元器件是十分必要的。
（2）自身的市场定位
特种陶瓷品种繁多，要确定自身具体市场定位。要学习外商对市场开拓的思路和方法，要注重销售人员的素质，要十分重视信誉至上，开拓进取。
（3）自身发展壮大的思路
企业如何做大，提高市场占有份额是每一位企业家要经常考虑的问题。总结以往经验教训，可以发现采用老经验，老生产线扩大再生产往往将无法在激烈的竞争中取胜。只有采用先进、适用的高技术及装备，提升产品技术档次，不断降低成本才能发展壮大。
（4）培育中国品牌
加强尊重知识，尊重人才，加大科研开发力度，坚持创新，实施大公司战略，培育中国品牌，不断提升企业的国际竞争力，才能在激烈的竞争中获得全面丰收。
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