压电陶瓷材料的应用、制备方法与发展趋势

压电陶瓷材料的应用、制备方法与发展趋势

闵杰中南大学材料科学与工程学院材料1003 学号：0607100313 【摘要】本文主要概述了国内外关于压电陶瓷材料的发展历史进程和研究现状，提出压电陶瓷材料的制备方法，探讨了其发展趋势和应用前景。指出了现代压电陶瓷材料正在向着复合化，薄膜化，无铅化及纳米化方向发展。该材料应用前景广阔，是一种极有发展潜力的材料。

【Abstract】This paper discussed the development of piezoelectric materials about the history and present research. Put forward the preparation method of piezoelectric ceramic materials.Discusses the developing trend and applied prospects, pointed out that modern piezoelectric materials are toward the compounding, film, utilizing and nanometer direction!.Application prospect,it will be one kind of extremely promising materials.

【关键词】压电陶瓷应用制备方法进展发展趋势

引言

压电材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在a石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek发现的铁电现象，他观察到罗

息盐(酒石酸钾钠，NaKC

4H

4

6

4H

2

0)的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935—1938

年，苏联的G．Busch和P．Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH

2P0

4

，简称KDP)

和磷酸二氢氨((NH

4)H

2

P0

4

，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的

发展起了很大的推动作用。目前，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。[3]

压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、固相反应后而成的多晶体．并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应用愈来愈广。压电材料作为机、电、声，光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广

泛的应用，世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发。

1 压电陶瓷的发展现状[1] [3]

根据材料中独立组元的数目可将压电陶瓷分为一元系、二元系、三元系及多元系压电陶瓷。BaTiO

3

，是典型的一元系陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构（图1），不溶于水，机电耦合系数大，制备工艺简单，成本低，是最早具有实用价值的压电陶瓷。为了得到性能更加稳定、居里温度更高的压电陶瓷，人们发现Ti4+离子半径和Zr4+离子半径相近，

两种离子的化学性能也相似，PbTiO

3，和PbZrO

3

，能以任何比例形成连续固溶体。通过

与BaTi0

3

，中Ba、Ti置换，控制Zr/Ti比，并在此基础上采取等价离子和不等价离子的置

换，以及掺加微量杂质、氧化物的方法，成功研制出性能大大优于BaTiO

3

的压电陶瓷材

料——锆钛酸铅，即PZT压电陶瓷．Jaffe等人发现：在Pb(Zr

行Ti

1-X

)0

3

体系中x=0．52附

近，四方铁电相和三方铁电相共存．在相界附近．随着钛离子浓度的增加，自发极化方向的取向将从[111]向[001]变化。在这一过程中，晶体结构不稳定，因此介电活性和压电性能显著提高，压电常数是BaTio

3

的2倍，且各方面的性能比钛酸钡陶瓷好得多。PZT 系陶瓷是一种很有发展前景的功能材料，它的出现开创了压电陶瓷应用的新局面。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。大量研究也表明，各种弛豫铁电体与PZT陶瓷相组合，以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性，可获得更高介电、压电性能，现已在三元系的基础上开发了特殊用途的四元系等多元系压电陶瓷材料，这使得压电陶瓷的研究前景

更为广阔。

图1：钙钛矿晶体结构

2 压电、陶瓷制备方法及技术路线[2][3][4][5]

作为铁电材料，通常是以薄膜、陶瓷、微粉、单晶等物质形态来进行研究的。作为

不同领域的不同应用，对于材料的制备的要求也不同。随着科学技术的进步和人们对于铁电材料性能要求的不断提高，对于铁电材料的制备技术也提出了新的要求。从传统的陶瓷材料到现在的薄膜和微粉便体现了这一过程。反过来，材料制备技术的进步，也使得人们深入研究材料性质及其本质得以进行。

随着电子器件向小型化和集成化方向发展，铁电薄膜的制备和应用得以广泛研究，尤其在以铁电存贮器等为实际应用目标的研制开发方面人们做了大量的工作。铁电薄膜的主要制备方法有：(1)物理气相沉积法(PVD)，包括溅射法、蒸发法、激光消融法；(2)化学气相沉积法(CVD)，包括金属有机物CVD、等离子增强CVD、低压CVD；(3)化学液相沉积法，包括溶胶凝胶法(sol—Gel)、有机金属化合物分解法(MOD)；(4)金属溶液沉积法，如液相晶体取向生长(LPE)。

表1：RF磁控溅射、PLD和溶胶-凝胶法3种薄膜制备技术的比较

无铅压电铁电陶瓷制备过程主要包括陶瓷原料粉体的合成、成型、烧结、被电极和极化等几个主要过程，在这些过程中，伴随着一系列的物理和化学变化。压电陶瓷的性能与材料的组分和制备的工艺过程和工艺条件有直接的关系，所以一整套稳定合理的工

艺参数是获得优异材料性能的重要保证。

I、生产中广泛采用的压电陶瓷工艺，主要包括

以下步骤：配料混合预烧粉碎成型排胶烧结被电极

极化测试，如图2所示。

(1)配料、球磨混合。

原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根

据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行

修正计算，然后进行原料的称量。按化学配比配料

以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。

(2)预烧、粉碎、成型、排胶和烧结。

混合球磨后的原料进行预烧。预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。

成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。成型以后需要排胶。粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。

烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。晶粒尺寸是借助于原子扩散来实现的。

(3)被电极、极化、测量。

烧结后的样品要被电极，可选用的电极材料有银、铜、金．铂等，形成电极层的方法有真空蒸发、化学沉积等多种。压电陶瓷中广泛采用的是，在烧结后的样品涂上银浆，在空气中烧制电极。为了防止空气在高压下电离、击穿，极化一般是在硅油中进行。为了获得优良的压电性能，需要选择合适的电场强度，适当的极化温度。极化样品放置24小时后，用压电常数测量仪测量d33，用高频阻抗分析仪(Agilent4294A等)测量介电常数、介电损耗、谐振频率等。

II、溅射法 (sp ut tering)是利用高速运动的荷能离子把靶材上的原子(或分子) 轰击下来沉积在基片(加热或不加热)上形成薄膜的方法,采用射频磁控溅射能进一步增加电子的行程,加强电离和离子轰击效果,从而能有效提高溅射效率及薄膜的均匀性。

III、脉冲激光沉积(PLD)是80年代后期发展起来的新型薄膜制备技术。相对于其它薄膜制备技术, PLD具有沉积速度快、靶材和薄膜成分一致、生长过程中可原位引入多种气体、烧蚀物粒子能量高、容易制备多层膜及异质结、工艺简单、灵活性大、可制备的薄膜种类多、可用激光对薄膜进行多种处理等优点

IV、sol-gel法是通过将含有一定离子配比的金属醇盐和其它有机或无机金属盐溶于共同的溶液中,通过水解和聚合形成均匀的前驱体———溶胶,再经提拉、旋转涂覆、喷涂或电沉积法等将前驱体溶胶均匀地涂覆在基片上,然后烘干除去有机物,最后退火

处理得到具有一定晶相结构的无铅压电陶瓷薄膜。

3 新型压电材料的发展应用[7]

3-1 无铅压电陶瓷材料[5]

压电陶瓷在人们生活中的很多方面具有重要的应用，但是目前全球在大量使用的压

电陶瓷材料仍是传统的含铅压电陶瓷，其中铅元素含量高达60％以上。氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产、制备、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境造成损害。随着环保意识的日益深入，国际上正积极通过法律、法规、政府指令等形式对含铅的电子产品加以禁止。高温烧结时PbO的挥发，在对环境造成污染的同时，还会造成陶瓷化学计量比的偏离，影响材料性能。因此，无铅压电陶瓷逐渐成为压电陶瓷材料研究的热点之一。无铅压电陶瓷的种类主要有：BaTiO

3

基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷和BNT基无铅压电陶瓷等。

近年来，无铅压电陶瓷已经有了一定的发展，发展趋势是：制备技术的更新，如使陶瓷的微观结构呈现一定的单晶特征；将压电陶瓷多元系或A位B位复合掺杂或多组元掺杂及其理论方面的研究；把压电铁电理论和无铅压电陶瓷体系组合，将PZT陶瓷的理论

运用到无铅压电陶瓷中。廖梅松等研究了(1一x)Na

0。5Bio sTi

0。5

TiO

3-x

BaTiO

3

系无铅压电

陶瓷的介电、压电性能。通过X一射线衍射分析发现，当0．06≤x≤O．10时，该体系陶瓷具有三方、四方相共存的晶体结构，此时材料具有最佳的压电性能。X=0．06时陶瓷样品的介电温谱和电滞回线发现在相界附近的陶瓷为弛豫型铁电体，并在加热过程中发

生了铁电--反铁电--顺电相的转变。张利民等以Ag

2O，Na

2

C0

3

，K

2

C0

3

，Nb

2

O

5

为原料，经750℃

焙烧分别合成了Na

0。5K

0。5

NbO

3

和AgNbO

3

粉料，再经配料、混料与成型，在1060℃埋粉烧结，

制备出Ag+掺杂的Na

0。5K

0。5

NbO

3

无铅压电陶瓷(xAgNbO

3

-(1-x) Na

0。5

K

0。5

NbO

3

，ANKN)，结果

表明，Ag掺加量为x=16％时，ANKN陶瓷性能最佳，压电常数d

33

达到110 pC／N，平面机

电耦合系数K

p 为30％，相对介电常数ε

r

为358，居里温度T

ε为300℃。

表2：几种无铅压电陶瓷薄膜性能[4]

图3：铅基和非铅基压电陶瓷材料与器件的应用领域

经过文献调研，发现相关非铅基压电陶瓷材料的研究十分热门，这里截取几种制备无铅压电陶瓷材料的方法。[5]

3-2压电薄膜材料

二十世纪八十年代后期，压电薄膜已成为压电材料应用研究的重要方向之一。压电薄膜能制成非易失随机存取存储器、热释电红外探测器、压电微型驱动器与执行器。其优越性是尺寸小、重量轻、工作电压低、能与半导体集成电路兼容。制备PZT薄膜的方法主要有：金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、溶胶-凝胶法(sol—gel)、催化化学气相沉积法(CatalyticCVD)、脉冲激光沉积法(pulsed laser position)、反应脉冲沉积法(reactive pulsed deposition)、电子束沉积法(electron—beam deposition)、等离子体激活的化学气相沉积法(PECVD)、溅射法(sput—tering)等。Sol—Gel方法以设备简单、成本低、能与半导体工艺兼容、均匀性好和组分能精确控制等优点得以大力推广。

Li等用溶胶凝胶法制备了多层的Pb(Zr，Ti)O

3/PbTiO

3

压电薄膜，并研究了其性能。王培

英等使用硝酸锆作为锆源，用溶胶凝胶法PZT铁电薄膜，得到的PZT薄膜剩余极化8．2μC/cm2，矫顽场68 kV/cm，薄膜的寿命可超过1011周期，但漏电流还较大，电极的利备与研究尚未完成，与半导体工艺兼容性问题还须作大量的工作。马薇等在Pt/Ti/SiO

2

/Si 基底上以溶胶一凝胶技术制备了高质量的PZT薄膜，从而制成了压电薄膜微型陀螺，它能广泛应用于运动控制(包括汽车的牵引控制、行驶稳定控制)、电子产品(包括摄像机的稳定控制、模型飞机的稳定控制)、机器人等民用方面，在军事方面的应用尤为重要。3-3 压电厚膜材料

PZT压电厚膜材料是20世纪90年代发展起来的一种新型功能材料，兼顾了块体材料和薄膜的优点，工作电压低，使用频率范围宽，与半导体集成电路兼容，PZT厚膜与其薄膜相比具有更大的驱动力，更好的压电性能。PZT压电厚膜材料已被广泛地应用于制

造微型机械泵、厚膜微致动器、高频声纳换能器、压力传感器、微机械谐振器、压电加速度转换器、新型超声复合换能器、弹性波传感器、光纤调制器、压电多层致动器、微电子机械系统(MEMS)器件等。

厚膜的制备技术主要有丝网印刷技术、新型溶胶一凝胶(Sol—Gel)法、电泳沉积法、脉冲激光沉积法及流延法等。荆阳采用流延技术制备PMN—PZT多层膜元件，使用丝网印刷工艺制作Ag/Pd内电极，并对其进行了有限元建模和仿真。仿真结果表明，当采用4层结构的压电厚膜微致动器时，在外加电压±30 V的条件下，可以实现O．9216μm的悬臂自由端位移和19．638kHz的谐振频率。沈建兴等采用丝网印刷法制备了PMS—PNN—PZT

四元系压电厚膜陶瓷材料。该压电厚膜压电常数d

33为240 pC/N，相对介电常数ε

r

为1112，

机械品质因数Q

m 为1250，机电耦合系数k

p

为0．52。夏冬林等新型sol—Gel技术成功地制

备出2—50μm厚的新型0—3型PZL厚膜材料，XRD谱分析显示PZL厚膜呈现出纯钙钛矿相

结构，无焦绿石相存在，SEM电镜照片显示，PZL厚膜均匀一致、无裂纹、高致密，介电性能测试结果表明，PZL厚膜具有优良的介电性能。当测试频率为l kHz，温度为15℃时，介电常数约为860，介电损耗为0．03左右。Choi等用Sol—Gel技术制备出PZN—PZL压电厚膜，压电常数d

33

达到了192pC/N。Kim等在硅基片上用丝网印刷的方法制得了压电厚膜，

其剩余极化P

r

为15．7μC·cm-2，制成的微型致动器最大位移可以达到0．05μm。

3-4 压电陶瓷-高聚物复合材料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。它既保持了压电陶瓷优良的压电性能，同时又有利于机械加工，具有—定得柔顺性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器，在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

常见的压电复合材料有PVC/陶瓷复合材料、PVF/陶瓷复合材料和PVDF/陶瓷复合材料，P(VDF—TrFE)／陶瓷复合材料。P(VDF—TrFE)与压电陶瓷聚合，由于其优良的压电、铁电性能，以及可机械加工的力学性能，可满足一些特殊的性能要求，被广泛用于水听

器，生物医学成像等方面。PVDF是压电性较强的聚合物，经过极化之后，d

33

可以达到20 pC/N，同时它是一种高分子聚合物，结晶度强度硬度刚性、耐磨性和辐射性都很强，它

通常与PZT，BaTiO

3复合。印度的Murali—lhar和Pillai研究发现当BaTiO

3

、Pb-TiO

3

的重

量分数为70％时，BaTiO

3

/PVDF材料的介电常数达到最大值为133(10Hz，30℃)。J．R．white 等把PZ粉料和一种高分子漆按7：3的比例混合，采用喷射技术制得压电厚膜复合材料，用来制作振动传感器。

3-5纳米压电陶瓷

近年来随着纳米技术的飞速发展，纳米陶瓷逐步受到人们的关注。纳米粉体经成型和烧结，形成致密、均匀的块体纳米陶瓷，材料的韧性、强度和超塑性大幅提高。克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响。通过精选材料组成体系和添加纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等加以改性。可以获得高性能和低温烧结兼优的纳米压电陶瓷材料。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体，以提高压电热解材料机电转换和热释性能。近年迅速发展的各类压电变压器、压电驱动器、大功率超声焊接技术、压电式振动给料器、超声CVD 新工艺和核电站相配套的大功率超声工程都是纳米陶瓷在压电方面的应用。

3 结束语

压电陶瓷是一种重要的功能材料，具有优异的压电、介电和光电等电学性能，被广泛地应用于电子、航空航天、生物等高技术领域。近年来，各国都在积极研究和开发新的压电功能陶瓷，研究的重点大都是从老材料中发掘新效应，开拓新应用；从控制材料组织和结构入手，寻找新的压电材料。特别值得重视的是随着材料技术和工艺的发展，目前国际上对压电材料的应用研究十分活跃，许多新的压电器件，包括过去认为是难以实现的器材也被研制出来了。随着对材料的组成、制备工艺及结构的不断深入研究，更加新颖的压电器件将不断的映现出来。

【参考文献】

[1]钙钛矿型铌酸盐系无铅压电陶瓷材料与器件的研究进展

[2]张沛霖，钟维烈．压电材料与器件物理[M]．济南t山东科学技术出版社．1994．

[3]答元.压电铁电材料的研究.现代商贸工业.2008年第12期.

[4]陆雷、肖定全、田建华、朱建国.无铅压电陶瓷薄膜的制备及应用研究.

[5]张雷、沈建新.压电陶瓷制备方法的研究进展.硅酸盐通报.

[6]肖定全.关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题.电子元件与材料.2004.

[7]信辉.李全禄.新型压电材料的发展应用.硅酸盐通报.2008.

新型功能材料发展趋势

新型功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。 1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等

新材料技术发展的方向

展望新材料的未来 新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家，请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。目前，新材料技术正朝着研制生产更小、更智能、多功能、环保型以及可定制的产品、元件等方向发展纳米材料20世纪90年代，全球逐步掀起了纳米材料研究热潮。由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在磁、光、电敏感性方面呈现出常规材料不具备的许多特性，在许多领域有着广阔的应用前景。专家预测，纳米材料的研究开发将是一次技术革命，进而将引起21世纪又一次产业革命。日本三井物产公司曾在去年末宣布该公司将批量生产碳纳米管，从2002年4月开始建立年产量120吨的生产设备，9月份投入试生产，这是世界上首次批量生产低价纳米产品。美国ibm公司的科研人员，在2001年4月，用碳纳米管制造出了第一批晶体管，这一利用电子的波性，而不是常规导线实现传递住处的技术突破，有可能导致更快更小的产品出现，并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。在碳纳米管研究方兴未艾的同时，纳米事业的新秀－－“纳米带”又问世了。在美国佐治亚理工学院工作的三位中国科学家2001年初利用高温气体固相法，在世界上首次合成了半导体化物纳米带状

结构。这是继发现多壁碳纳米管和合成单壁纳米管以来，一维纳米材料合成领域的又一大突破。这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构，带宽为30～300mm，厚度为5～10nm，而长度可达几毫米，是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体准一维带状结构。目前已经成功合成了氧化锡、氧化铟、氧化隔等材料纳米带。由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题，具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能，因而能够更早地投入工业生产和商业开发。 超导材料超导材料在电动机、变压器和磁悬浮列车等领域有着巨大的市场，如用超导材料制造电机可增大极限输出量20倍，减轻重量90％。超导材料的研制，关键在于提高材料的临界温度，若此问题得到解决，则会使许多领域产生重大变化。去年，科学家在超导材料上有不少新收获，相继发现了临界温度更训的新型超导材料，使人类朝着开发室温超导材料迈出了一大步。在日本，有人发现二硼化镁可在－234℃成为超导体，这是迄今为止发现临界温度最高的金属化合物超导体。由于二硼化镁的发现，使世界凝聚态物理学界为之振奋。由于二硼化镁超导体易合成、易加工，很容易制成薄膜或线材，因而应用前景看好。 美国科学家在研制更具实用性超导材料方面取得了明显的进展，并开始进入实用阶段。美国底物律的福瑞斯比电站在地下铺设了360多米的超导电缆，电缆中123kg重的导线是由含铋、锶、钙、铜的氧化物超导瓷制造的。这是世界上首次实用的超导输电线路。我国在高

压电陶瓷材料及应用

压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）

新材料行业发展趋势

新材料行业发展趋势 与传统材料相比，新材料产业具有技术高度密集，研究与开发投入高，产品的附加值高，生产与市场的国际性强，以及应用范围广，发展前景好等特点，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济，社会发展，科技进步和国防实力的重要标志，世界各国特别是发达国家都十分重视新材料产业的发展。下面是有关于新材料行业发展趋势的分析，一起来看看。 中国新材料产业发展前景分析新材料作为二十一世纪三大关键技术之一，是高新技术发展的基础和先导，已成为全球经济迅猛增长的源动力。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计

算机运算速度从每秒几十万次提高到每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等等。 在新材料产业中分布情况 21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 信息材料是最活跃的新材料领域，微电子材料在未来10~15年仍是最基本的信息材料，集成电路及半导体材料将以硅材料为主体，化合物半导体材料及新一代高温半导体材料共同发展。光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等领域。 XX年，在“国家半导体照明工程”计划的推动下，我国半导体照明产业发展加速，关键技术取得突破，蓝光功率型LED芯片发光效率达到90mW，处于国际先进水平;封装的功率型白光LED发光效率超过30lm/W，达到国际先进水平。建立了上海、大连、厦门、南昌4个国家半导体照明产业化基地，民营资本投资近37亿元人民币，我国LED产业迎来了快速发展的时期。 XX年我国推出了激光电视样机，技术水平达到国际先进。

玻璃材料的应用现状与发展趋势

玻璃材料的应用与趋势 内容摘要：随着建筑多元化的发展，建筑玻璃的已经成为建筑多样化和建筑功能化的关键组成部分，尤其是最近几年，建筑用深加工玻璃的品种、数量也得到了很大的发展，产品质量有了很大的提高。但是一些建筑使用的深加工玻璃出现了如钢化玻璃自爆、中空玻璃漏气等多种问题，造成很大的损失。当今世界玻璃制造商们在开发钢化玻璃新技术方面，均向能源、材料、环保、信息、生物等五大领域的发展和需求奋进。 关键词：玻璃材料的应用现状，玻璃材料的发展趋势 一 .世界建筑的发展对玻璃的要求变化 从20世纪60年代，随着第一个玻璃幕墙出现开始，建筑幕墙一直占据着建筑市场的主导位置并引领着建筑行业技术的发展。到目前，建筑对玻璃的要求经过了从白玻、本体着色玻璃、热反射镀膜到低辐射镀膜玻璃的变化。玻璃的颜色也由无色、茶色、金黄色到兰色、绿色并最后向通透方向的发展变化。 二.建筑玻璃的主要应用品种及特点 1、钢化玻璃 它是利用加热到一定温度后迅速冷却的方法，或是化学方法进行特殊处理的玻璃。一般是在原来普通的浮法玻璃基础上，经过将玻璃加热到软化点温度再经过淬火处理，使玻璃内部中心部位具有张应力

而玻璃表面部位具有压应力并达到均匀应力平衡的玻璃产品。钢化玻璃的品种包括化学钢化也称离子钢化和物理钢化两种；化学钢化玻璃的特点是由于采用颗粒较大的离子如钾离子置换玻璃表面的钠离子，在约400度的温度下经过一定的工艺制作完成；化学钢化玻璃可以切割、热弯等，但经过高温加工后的玻璃强度会受影响；化学钢化玻璃的初始强度可以达到原片的6-7倍，但是随着使用时间加长，性能会衰减；由于离子置换的特殊性，多数使用在超薄的玻璃上。物理钢化玻璃的特点是强度高，一般强度可以达到普通平板玻璃的4倍左右 2、夹层玻璃 夹层玻璃是由一层玻璃与一层或多层玻璃、塑料材料夹中间层而成的玻璃制品，中间层是介于玻璃之间或玻璃与塑料材料之间起粘结和隔离作用的材料，使夹层玻璃具有抗冲击、阳光控制、隔音等性能；夹层玻璃的特点是安全—即使破碎，也不会对人造成伤害。缺点是降低采光性能、玻璃自重增加。 3、镀膜玻璃 镀膜玻璃俗称热反射玻璃，包括阳光控制镀膜玻璃和低辐射镀膜玻璃（Low-E）玻璃两个品种。镀膜形成的原理是在原片玻璃表面镀上金属或者金属氧化物/氮化物膜，使玻璃的遮蔽系数降低，又称低辐射玻璃，是一种对波长范围4.5μm-25μm的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃。低辐射镀膜玻璃还可以复合阳光控制功能，称为阳光控制低辐射玻璃。镀膜玻璃主要有两个系列的品种，一种是在线镀

电子工程师必备知识

电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。

(汽车行业)汽车车身新材料的应用及发展方向

（汽车行业）汽车车身新材料的应用及发展方向

汽车车身新材料的应用及发展趋势 现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外，仍应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在上世纪八十年代，轿车的整车质量中，钢铁占80％，铝占3％，树脂为4％。自1978年世界爆发石油危机以来，作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板逐年上升，有色金属材料总体有所增加，其中，铝的增加明显；非金属材料也逐步增长，近年来开发的高性能工程塑料，不仅替代了普通塑料，而且品种繁多，在汽车上的应用范围广泛。本文着重介绍国内外在新型材料应用方面的情况及发展趋势。 高强度钢板 从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50％，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。当下的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车X公司和宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度1F冷轧钢板等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高15％～25％；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20％；具有良好的点焊性能；烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之壹；冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进壹步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C≤0.005％）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性和高强度的结合，特别适用于壹些形状复杂而强度要求高的冲压零件。 轻量化迭层钢板 迭层钢板是在俩层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.2～0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25％～65％。和具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57％。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。铝合金 和汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众X公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，仍比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都能够回收再生利用，深受环保人士的欢迎。根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板和钢板复合成型，再在表面涂覆防具有良好的耐腐蚀性。 镁合金 镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35％，铝材密度的66％。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的

功能材料发展趋势

材料】功能材料发展趋势 功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们的最新科技发展计划中,都把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。各国都非常强调功能材料对发展本国国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。 1、新型功能材料国外发展现状 当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等

压电陶瓷测量基本知识

压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为

2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）

国内外焊接材料的应用及发展趋势

国内外焊接材料的应用 及发展趋势 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]

国内外焊接材料的应用及发展趋势 沈阳工业大学材料科学与工程学院 摘要：焊接材料是焊接行业中一个重要分支。随着焊接技术的发展，国内外焊接材料的生产和使用也得到了长足的进步。本文简单介绍国内外的钢材、焊接材料的应用状况，进而分析了焊接材料的应用领域，总结出我国焊接的材料发展中存在的问题及应对策略。 关键词：焊接材料；应用；发展趋势 1国内外钢材及焊接的应用现状 钢产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标，钢铁工业是中国工业进程中的支柱产业。表1为世界主要国家的钢产量数据。从表中数据可以发现，从2001年开始我国的钢产量已经跃居全球第一，从2001年到2008年钢产量已经提高了3倍多，这样的增速明显高于其他国家。这主要是由于中国的经济持续高速增长，拉动了钢铁工业的快速发展，带动了中国钢铁的生产和消耗。但与中国钢产量全球第一形成鲜明的对比的是中国也是钢材进口大国，尤其是特种性能、高强度钢材的大量进口，因此中国钢材巨大产量，并没有给中国带来巨大的经济效益。

（数据来源：中国钢材贸易网） 焊接是一种将材料永久性连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件。在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。焊接技术包括焊接材料、设备和工艺等相关内容，而其中焊接材料是焊接技术发展的基础，所以焊接材料的应用和发展影响着焊接技术的发展。 钢材产量和快速升高又拉动了中国焊接材料产业的强劲发展，钢材的产量、品质及发展趋势直接决定了焊接行业的可持续发展及焊接技术的发展方向。2006年，按国际钢材协会统计，全世界钢产量12．39亿吨，按有 关资料综合测算，焊材的消费量应为钢材总量的0．6%--1．6%，全世界焊接材料约为600多万吨，因此，2006年中国钢产量占全世界钢产量的34%[2]，中国焊接材料产量占全世界焊接材料产量的50%左右。但是中国焊接材料的种类和分布不是很平衡[3，4]，见表2-表3。

新材料技术的发展趋势

1 新材料技术的发展趋势和特点 纵观国际新材料研究发展的现状，西方主要工业发达国家正集中人力、物力，寻求突破，美国、欧共体、日本和韩国等在他们的最新国家科技计划中，都把新材料及其制备技术列为国家关键技术之一加以重点支持，非常强调新材料对发展国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。 我国对新材料及其制备技术历来非常重视，一直作为一个重要的领域被列入我国自1956年以来的历次国家科技发展规划之中。在我国863高技术中，新技术材料又是七大重点领域之一。经过40余年的努力，已在许多方面取得显著进展，一大批新材料已成功地应用于国防和民用工业领域，有些新材料的研究居国际领先水平，为我国新材料及其制备技术在21世纪初的持续发展奠定了较好的基础。 新材料及其制备技术的研究将对世界经济发展产生重大影响，其发展趋主要体现在： （1）功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向发展； （2）结构材料向高性能化、复合化、功能化和低成本化方向发展； （3）薄膜和低维材料研帛发展迅速，生物医用材料异军突起；（4）新材料制品的精加工技术和近净形成形技术受到高度重视； （5）材料及其制品与生态环境的协调性倍受重视，以满足社会可持续发展的要求； （6）材料的制备及评价表征技术日受重视，材料制备与评价表征新技术、新装备不断涌现； （7）材料在不同层次（微观、介观和宏观）上的设计发展迅速，已成为发展新材料的重要基础。 材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。所谓新材料，指的是那些新出现或正在发展中的具有传统材料所具备的优异性能的材料。从人类科技发展史中可以看到，近代世界已经历了两次工业革命都是以新材料的发现和应用为先导的。钢铁工业的发展，为18世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界革命奠定了物质基础。本世纪中叶以来，以电子技术，特别是微电子技术的发明和应用为代表的第二次世界革命，硅单晶材料则起着先导和核心作用，加之随后的激光材料和光导纤维的问世，使人类社会进入了“信息时代”，因此，可以预料，谁掌握了新材料，谁就掌握了21世纪高新技术竞争的主动权！ 综上所述，当今新材料及其制备技术的发展趋势具有以下几个特点： （1）新材料技术是现代工业和高技术发展中的共性关键技术，材料科学技术已成为当代和下世纪初最重要的、发展最快的科学技术之一。信息、能源、农业和先进制造等技术领域的发展都离不开新材料及其制备技术的发展； （2）综合利用现代先进科学技术成就，多学科交*，知识密集，导臻新材料及其制备技术的投资强度大、更新换代快，经济效益和社会效益巨大； （3）新材料的制备和质量的提高更加依赖于新技术、新工艺的发展和精确的检测控制技术的应用。对制备技术的重视与投入直线上升，极大地加速了基础材料的发展和传统产业的改造。

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验

锆钛酸铅压电陶瓷的制备实验 引言： 压电陶瓷 我们将具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷，而压电效应分为正压电效应和负压电效应。 ★正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这种现象称为正压电效应，如下图所示； ★逆压电效应：当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这种现象称为逆压电效应。 注：实线代表形变前的情况； 虚线代表形变后的情况。 自从十九世纪五十年代中期，由于钙钛矿的 PZT 陶瓷具有比 BaTiO3更为优良的压电和介电性能，因而得到广泛的研究和应用。图 1-1 为 Pb(Zr x Ti 1-x )O 3体系的低温相图[1]。在居里温度以上时，立方结构的顺电相为稳定相。在居里温度以下，材料为铁电相，对于富 Ti 组分（0≤x ≤0.52）为四方相；而低 Ti 组分（0.52≤x ≤0.94）为三方相。两种晶相被一条 x=0.52 的相界线分开。在三方相区中有两种结构的三方相：高温三方相和低温三方相，这两种三方相的区别在于前者为简单三方晶胞，后者为复合三方晶胞。在靠近 PbZrO3组分（0.94≤x ≤1）的地方为反铁电区，反铁电相分别为低温斜方相和高温四方相。 正压电效应示意图

如图 1-2 所示[10]，对于四方相，自发极化方向沿着六个<100>方向中的一个方向进行，而三方相的自发极化方向沿着八个<111>方向中的一个方向进行。由于自发极化方向的不同，在不同的晶体结构中产生不同种类的电畴，在四方相中产生 180o 和 90o电畴，三方相中产生 180o、109o、71o电畴。 一、实验目的： 本实验主要是通过对具有压电性能的陶瓷材料PZT（锆钛酸铅）的制备来掌握特种陶瓷材料的整个工艺流程，并掌握一定的性能测试手段。 二、实验仪器： 电子天平、粉末压片机、箱式电阻炉、成型模具、温度控制仪、准静态d33测量仪、极化装置、阻抗分析仪等。 三、实验原理： 实验室制备PZT压电陶瓷的工艺路线为： 配方设计→PZT粉体混合研磨制备→预烧→成型→排塑→烧结→上电极→极化→性能

压电陶瓷及其应用

压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。

迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：

电子信息材料发展趋势

电子信息材料发展趋势

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2

电子信息材料发展趋势 电子信息材料发展趋势 电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。 随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。一、集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。 1.Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎8英吋硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英吋芯片已开始上市，GaAs芯片椎4英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。 2.在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料———宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe／Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。 3.继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。 4.高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0．1ppb和6N级以上，0．5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个／毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。 二、光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。光电集成将是21世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料尺度逐步低维化———由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质到非均质、工作特性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料。 1.激光晶体材料：向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向发展。 2.红外探测器材料：大面积高均匀性HgCdTe外延薄膜及大尺寸ZnCdTe衬底材料仍是2010年前红外探测器所用的主要材料。 3.液晶材料：研究发展超扭曲向列型 STN 和薄膜晶体管型 TFT 显示器所用混合液晶，提高性能，降低成本。 4.高亮度发光二极管材料：继规模生产发红、橙、黄色的GaAs基、GaP基外延材料之后，拓宽发光波段，开发发蓝光的GaN基、ZnSe基外延材料将成为研究热点。

金属材料的应用现状及发展趋势分析

金属材料的应用现状及发展趋势分析 在进行金属材料的应用现状及发展趋势分析之前，先简要介绍一下金属材料。金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺，金属材料可以分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料，其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢，铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。 一、金属材料的应用现状 金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。 金属材料具有许多优良性能，是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛的工程材料之一，特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业各种部件和零件的制造中，发挥了不可替代的作用。 （1）、在汽车中的应用。缸体和缸盖，需具有足够的强度和刚度，良好的铸造性能和切削加工性能以及低廉的价格等，目前主要用灰铸钢和铝合金；缸套和活塞，对活塞材料的性能要求是热强性高，导热性好，耐磨性和工艺性好，目前常用铝硅合金；冲压件，采用钢板和钢带制造，主要是热轧和冷轧钢板。热轧钢板主要用于制造承受一定载荷的结构件，冷轧钢板主要用于构型复杂、受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车车身等。还有汽车的曲轴和连杆、齿轮、螺栓和弹簧等，都按其实用需要使用的了不同的金属材料 （2）、在机床方面的应用。机床的机身、底座、液压缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件部，以及其他如牛头刨床的滑枕、带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等，首选材料为灰铸铁，球磨铸铁也可选用。随着对产品外观装饰效果的日益重视，不锈钢、黄铜的

压电陶瓷的测试--

第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min 以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排

列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2．压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是

全球新材料产业发展特征与趋势

全球新材料产业发展特征与趋势 内容来源：互联网浏览次数：1248 更新时间：2018-04-08 新材料是指新出现的具有优异性能或特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提高或具有新功能的材料。融入了当代众多学科先进成果的新材料产业是支撑国民经济发展的基础产业，是高技术产业的发展先导和重要内涵，逐渐成为促进经济快速增长和提升企业及地区竞争力的源动力。 我国新材料产业细分产业导向 作为《中国制造2025》制造强国战略提出的十大重点领域之一，新材料产业承担着引领材料工业升级换代，支撑战略性新兴产业发展，保障国民经济和国防军工建设等重要使命。 一、国外新材料产业发展特征与趋势 1、各国新材料产业发展现状 新材料产业的发展水平已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志，因此世界各国纷纷在新材料领域制定出台相应的规划，竭力抢占新材料产业的制高点。

目前，发达国家仍在国际新材料产业中占据领先地位，世界上新材料龙头企业主要集中在美国、欧洲和日本，其中，日、美、德6家企业占全球碳纤维产能70%以上，日、美5家企业占全球12寸晶圆产量的90%以上，日本3家企业占全球液晶背光源发光材料产量的90%以上。 世界各国新材料领域相关发展计划 2、各国新材料产业发展趋势

(1)、高新技术发展促使材料不断更新换代 高新技术的快速发展对关键基础材料提出新的挑战和需求，同时材料更新换代又促进了高技术成果的产业化。 如微电子芯片集成度及信息处理速度大幅提高，成本不断降低，硅材料发挥了重要作用;新兴产业如氮化镓等化合物半导体材料的发展，催生了半导体照明技术;LED灯的光效给照明工业带来革命性变化;太阳能电池转换效率不断提高，极大推动了新能源产业发展。镁钛合金等高性能结构材料的加工技术取得突破，成本不断降低，研究与应用重点由航空、航天以及军工扩展到高附加值民用领域。 (2)、绿色、低碳成为新材料发展的重要趋势 新能源产业崛起，拉动上游产业如风机制造、光伏组件、多晶硅等一系列制造业和资源加工业的发展，促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和生产。 欧美等发达国家已经通过立法，促进节能建筑和光伏发电建筑的发展，功能材料向微型化、多功能化、模块集成化、智能化等方向发展以提升材料的性能;纳米技术与先进制造技术的融合将产生体积更小、集成度更高、更加智能化、功能更优异的产品。绿色、低碳的新材料技术及产业化将成为未来发展的主要方向。 (3)、跨国集团在新材料产业中仍占据主导地位 目前，世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展，在高附加值新材料产品中占据主导地位。 尤尼明几乎垄断着国际市场上4N8及以上高端石英砂产品;信越、SUMCO、Siltronic、SunEdison等企业占据国际半导体硅材料市场份额的80%以上。半绝缘砷化镓市场90%以上被日本日立电工、住友电工、三菱化学和德国FCM所占有。 DuPont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7家公司拥有全球90%的有机氟材料生产能力。美国科锐(Cree)公司的碳化硅衬底制备技术具有很强市场竞争力，飞利浦(Philips)控股的美国Lumileds公司的功率型白光LED国际领先，美、日、德等国企业拥有70%LED外延生长和芯片制备核心专利。 小丝束碳纤维的制造基本被日本的东丽纤维公司、东邦公司、三菱公司和美国的Hexel 公司所垄断，而大丝束碳纤维市场则几乎由美国的Fortafil公司、Zoltek公司、Aldila公司和德国的SGL公司4家所占据。美铝、德铝、法铝等世界先进企业在高强高韧铝合金材料的研制生产领域居世界主导地位。美国的Timet、RMI和Allegen Teledyne等三大钛生产企业的总产量占美国钛加工总量的90%，是世界航空级钛材的主要供应商。 (4)、新材料研发模式变革成为关注的重点 21世纪以来，发达国家逐渐意识到依赖于直觉与试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速发展的步伐，甚至可能成为制约技术进步的瓶颈。因此，亟需革新材料研发方法，加速材料从研发到应用的进程。 例如，美国政府“材料基因组计划”(MGI)，其新材料从发现到应用的速度至少提高一倍，