一、先进介质材料与元器件
先进介质材料是电子元器件研制的关键基础材料，是无源元器件、电子封装等的基石。为了满足不断发展的电子元器件及系统集成技术的需要，新型介质材料的研究也不断面临新的挑战。低温共烧陶瓷（LTCC）技术是无源集成的重要技术手段，由于其优良的电学、机械、热学及工艺特性，在军事、航空航天、汽车、无线通讯、电子信息等领域得到广泛应用。层陶瓷电容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）具有容量范围宽、频率特性好、耐高温高压、体积小、寿命长、成本低等优点，广泛应用于智能终端、汽车电子、5G通信及计算机等行业。我们的目标是发展面向射频元器件、MLCC、微电子封装等应用的新型高性能介质陶瓷材料，结合多层陶瓷无源集成技术，研究开发面向未来应用的新型器件。
1.1先进介质材料及元器件的智能化研究
材料信息学（Materials Informatics）是应用信息学方法解决材料科学与工程问题的交叉学科。借助机器学习等数据驱动方法，分析材料数据之间的统计相关性，挖掘出“成分-结构-工艺-性能”关系，进而实现材料结构设计、成分调控、工艺优化和性能预测等目标。本研究方向的主要研究内容有：介质材料性能预测、元器件可靠性评价和寿命预测；先进介质材料的高通量制备、性能评价等。本团队在国际上较早地开展机器学习和实验相结合的微波介质材料研究，揭示了化学成分和晶体结构对介电常数、品质因数和烧结温度的影响机制，建立了性能定量预测模型辅助新材料设计。此外，本团队在电子元器件的可靠性评价、寿命预测、故障诊断等方向也逐步开展了研究工作。
介电常数的实验值和机器学习模型预测值在特征空间中的分布
不同价态、配位数的915种离子的机器学习拓展 D值与离子半径三次方的关系
基于高通量实验技术的无铅压电陶瓷组成-性能关系mapping
代表性成果：
1. Jincheng Qin, Zhifu Liu, Mingsheng Ma, Yongxiang Li, Optimizing and extending ion dielectric polarizability database for microwave frequencies using machine learning methods, NPJ Computational Materials., 9, 132 (2023).
2. Jincheng Qin, Zhifu Liu, Mingsheng Ma, Yongxiang Li, Machine learning approaches for permittivity prediction and rational design of microwave dielectric ceramics, Journal of Materiomics, 7, 1284-1293 (2021).
3. Jincheng Qin, Zhifu Liu, Mingsheng Ma, Yongxiang Li, Machine learning-assisted materials design and discovery of low melting-point inorganic oxides for low-temperature cofired ceramic applications, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10, 1554-1564 (2022).
4. Guanhua Song, Zhibin Liu, Faqiang Zhang, Feng Liu, Yan Gu, Zhifu Liu, Yongxiang Li, High-throughput synthesis and electrical properties of BNT–BT–KNN lead-free piezoelectric ceramics, Journal of Materials Chemistry C, 8, 3655-3662 (2020).
5. Jian Chang, Zhifu Liu, Mingsheng Ma, Yongxiang Li, Parallel preparation and properties investigation on Li2O-Nb2O5-TiO2 microwave dielectric ceramics, Journal of the European Ceramic Society, 37, 3951-3957 (2017).
1.2系列化高性能LTCC微波介质材料
不同的元器件应用对介电常数的要求不同，如封装基板、片式电感等需要低的介电常数；蓝牙模块、介质天线等多采用适中介电常数介质材料；电容器等需要高介电常数以缩小器件的体积。各种介质材料都需要有低的介电损耗以满足微波、毫米波乃至太赫兹工作条件的需要。另一方面，采用LTCC技术可以把各种无源器件内埋到基板中实现高密度集成，而这种集成需要材料在工艺性能上具有匹配性，这是LTCC材料研究中的一个难题。因此本研究方向的重点在于高性能低、中、高介电常数系列化LTCC微波介质材料；介电常数、介电损耗、热膨胀系数、力学特性等材料性能调控机理；新型LTCC微波毫米波介质材料的探索；LTCC微波介质材料与电极共烧匹配性以及LTCC器件应用中的材料可靠性基础问题等。已成功研制介电常数为5~90的多种LTCC微波介质材料，部分材料已用于LTCC器件的生产。
Li-Nb-Ti-O体系高介LTCC介质材料
采用自主LTCC材料制备的大尺寸多功能基板（145mm 145mm 1mm）
代表性成果：
1. Yan Yang, Mingsheng Ma, Yongzhe Wang, Zhifu Liu, Faqiang Zhang, Yongxiang Li, Low-temperature sintering of ZnAl2O4 ceramics with 4CuO-TiO2-2Nb2O5 composite oxide sintering aid, Ferroelectrics, 586, 190-198 (2022)
2. Guanyu Chen, Mingsheng Ma, Zhifu Liu, Anqing Wei, Ali Zavabeti, Xinyi Hu, Faqiang Zhang, Bing Wang, Arnan Mitchell, Yongxiang Li, Anodic bondable Li-Na-Al-B-Si-O glass-ceramics for Si - ULTCC heterogeneous integration, Journal of the European Ceramic Society, 39, 2419-2426 (2019).
3. Suxiang Qian, Feng Liu, Mingsheng Ma, Guanyu Chen, Zhifu Liu, Yongxiang Li, Mechanical strength enhancement of low temperature co-fired multilayer ceramic substrates by introducing residual stress, Ceramics International, 45, 10982-10990 (2019).
4. 刘志甫，钱苏湘，刘峰，马名生，一种高强度LTCC基板材料及其制备方法，中国发明专利号：ZL 202011176810.4。
5. 刘志甫，杨燕，马名生，一种低温烧结微波介质材料及其制备方法，中国发明专利号：ZL 202111038468.6。
1.3 LTCC工艺技术研究
LTCC技术是一个涉及电磁仿真与器件设计技术、陶瓷粉体制备技术、生带厚膜流延技术、多层工艺技术（打孔、印刷、叠片、层压、切割等）、陶瓷烧结技术等多学科交叉的技术。生带流延和共烧工艺实质上也是材料工艺技术，随着成本控制、环保要求等更加苛刻，环境友好的浆料体系将逐渐替代含甲苯等毒性溶剂的浆料，贱金属电极逐渐应用到基于LTCC的无源器件中，这些都为LTCC工艺技术研究注入了新的内涵。本方向主要研究内容：高质量LTCC粉体制备技术研究、LTCC材料生带流延制备技术研究；打孔、印刷、叠片、层压等LTCC工艺技术研究；多层异质共烧相关科学与技术问题研究等。
(a) d50~10 m (b) d50 <3 m，d90 <6 m (c) d50<0.4 m，d90<1 m
LTCC材料粉体粒径调控
LTCC流延浆料流变特性及所获得的生带厚膜
代表性成果：
1. Zhifu Liu, Yilin Wang, Yongxiang Li, Combinatorial study of ceramic tape-casting slurries, ACS Combinatorial Science, 14, 205-210 (2012)
2. 刘志甫，马名生，李永祥等，一种低温共烧陶瓷生带材料及其制备方法和应用，专利号：ZL201310422945.8
3. 刘志甫，李永祥，陶瓷流延浆料及其制备方法，中国发明专利申请号：201110319794.4
1.4 LTCC多层器件
LTCC多层元器件及封装基板具有高频性能好、可靠性高、低热膨胀系数以及良好的热稳定性和化学稳定性等优势，在微波/毫米波滤波器、耦合器、功分器、电感、天线等无源元器件；集成电路、多芯片组件封装基板等有非常广泛的应用。随着集成封装密度的不断提高和封装新技术的出现，LTCC封装基板在结构设计、热管理、电磁相容性、集成工艺等都有新的课题不断涌现。本方向围绕LTCC技术在高频无源元器件及封装基板领域的应用需求开展研究，主要研究内容：基于自主材料的高性能LTCC无源元器件的设计和制备；新型LTCC无源元器件的探索；LTCC无源器件集成新技术、新工艺探索。
基于SICCAS-K5F3材料的LTCC滤波器和耦合器样品
基于SICCAS-K5F3材料的LTCC滤波器及实测性能
基于SICCAS-K70材料的SIW结构LTCC双工器及性能
1.5 MLCC介质材料与器件
多层陶瓷电容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）具有容量范围宽、频率特性好、耐高温高压、体积小、寿命长、成本低等优点，广泛应用于智能终端、汽车电子、5G通信及计算机等行业。本研究方向的主要研究内容有：钛酸钡超细粉体制备技术研究；MLCC配方粉体制备技术；MLCC结构设计、集成及可靠性评价技术研究。近年来本研究方向开发了钛酸钡钙（BCT）纳米粉固相合成技术，所制得BCT粉体中位粒径最小可达80 nm；通过掺杂调控及粉体制备工艺优化，获得了满足X7R和X8R特性的MLCC介质材料；采用有限元模拟仿真技术，研究了MLCC内电极结构、形状及内部缺陷等对MLCC内电场分布、耐压强度、在强场下的可靠性等的影响，为高可靠电容器的内电极结构设计提供了依据；开展了MLCC高加速老化试验（HALT）方法、击穿过程中的热效应、MLCC介质材料缺陷行为等研究，建立起了电容器介质材料及MLCC多层次可靠性分析方法。通过将LTCC填孔打孔技术与MLCC技术相结合，与企业合作研发了可键合多层陶瓷电容器，并形成了系列化产品。
固相合成的BCT纳米粉
不同条件热处理后BaTiO3单晶样品的TSDC曲线
可键合多层陶瓷电容器
代表性成果：
1. Xiaoxiao Peng, Zhifu Liu, Yan Gu, Faqiang Zhang, Yongxiang Li, Dielectric properties of (Al3+，Nb5+) co-doped CaTiSiO5 ceramics at elevated temperature, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 132, 83-88 (2019).
2. Wanghua Wu, Zhifu Liu, Yan Gu, Zhenxing Yue, Yongxiang Li, Thermally stimulated depolarization current study on barium titanate single crystals, AIP Advances, 8, 045005 (2018).
3. 刘志甫，彭笑笑，李永祥，一种高温稳定介质陶瓷材料及其制备方法，中国发明专利号：ZL 201811300433.3。
4. 顾燕，刘志甫，李永祥，庄彤，冯毅龙，杨俊峰，可键合多层陶瓷电容器及其制备方法，中国发明专利号：ZL 201510291404.5。
5. 李永祥，苗纪远，刘志甫，一种高介电常数的多层陶瓷电容器介质材料及其制备方法，中国发明专利号：ZL 201510174215.X。
1.6电极浆料
电极浆料涉及材料、化工、冶金、电子、流变学等多学科，是电子元器件、封装基板、集成模块研制和生产必不可少的关键材料，也是我国亟需实现自给自足的“卡脖子”关键电子材料之一，被广泛应用于航空航天、5G/6G通讯、军事电子和智能终端等领域。本方向围绕电极浆料的有机载体、无机粘结相、以及功能相金属粉组份研究其丝网印刷特性、共烧匹配性、电性能等。研究体系包括：LTCC配套电极浆料的研究和MLCC用贱金属浆料的研究。已研制出LTCC内、外、填孔电极银浆，MLCC用镍内电极浆料。
电极浆料的制备及应用
LTCC用电极银浆的性能
代表性成果：
1. Feng, J.*; Gao, Y.; Zhang, F.; Ma, M; Gu, Y.; Liu, Z.*; Chen, K. Effects of Organic Binder on Rheological Behaviors and Screen-Printing Performance of Silver Pastes for LTCC Applications, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2022, 33, 10774-10784.
2. Gao, Y.; Feng, J.*; Liu, F.; Liu, Z.*. Effects of Organic Vehicle on the Rheological and Screen-Printing Characteristics of Silver Paste for LTCC Thick Film Electrodes, Materials 2022, 15, 1953.
3. 高于珺; 冯静静*; 刘峰; 张发强; 马名生; 刘志甫*. 低温共烧陶瓷（LTCC）用电极银浆研究进展, 电子元件与材料 2022, 41, 1133-1142.
4. 冯静静; 刘志甫; 刘峰; 陆毅青; 顾燕; 欧阳琪. 一种LTCC用面电极浆料及其制备方法, 发明专利, CN116344099A
二、新一代铁电压电陶瓷与器件
2.1 高性能无铅压电陶瓷
随着世界各国环保标准的日益严格，各种元器件的无铅化势在必行。压电陶瓷是电子、信息产业关键基础材料之一，研究开发高性能无铅压电材料、实现相关元器件的无铅化具有现实的迫切性和必要性。本方向研究内容主要包括：新型高性能无铅压电材料体系的设计；无铅压电材料准同型相界附近的组成-结构关系与相变行为；钙钛矿型无铅压电陶瓷的微结构调控与性能优化；层状类钙钛矿结构无铅压电陶瓷的可控制备与性能优化。研究的材料体系有：钙钛矿结构（钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸盐基）材料、铋层状结构材料、钨青铜结构材料等。
铋层状共生压电陶瓷结构剪裁、性能调控及新结构设计
基于核壳结构的KNN基大应变无铅压电陶瓷材料设计
代表性成果：
1. Bo Wang, Faqiang Zhang, Yan Yang, Zhifu Liu and Yongxiang Li, Microstructure and electrical properties of (K0.48Na0.52)0.97Li0.03NbO3-0.03CaZrO3 lead-free piezoceramics with (4CuO-TiO2-2Nb2O5) additive. Ceramics International 47 (13), 18886-18892(2021).
2. Faqiang Zhang, Olivia Wahyudi, Zhifu Liu, Hui Gu, Yongxiang Li, Preparation and electrical properties of a new-type intergrowth bismuth layer-structured (Bi3TiNbO9)1(Bi4Ti3O12)2 ceramics. Journal of Alloys and Compounds 753, 54-59(2018).
3. Faqiang Zhang, Olivia Wahyudi, Yongxiang Li, and Hui Gu, The kinetic effect on formation of disordered intergrowth structures in mixed bismuth-layered (Bi3NbTiO9)2(Bi4Ti3O12)1 compounds, Ceramics International 41, S162 (2015).
4. Faqiang Zhang, Yongxiang Li, Hui Gu, Xiang Gao, Local orderings in long-range-disordered bismuth-layered intergrowth structure, Journal of Solid State Chemistry, 212, 165-170 (2014).
5. Feng Liu, Olivia Wahyudi, and Yongxiang Li, A new Bi0.5Na0.5TiO3 based lead-free piezoelectric system with calculated end-member Bi(Zn0.5Hf0.5)O3, Journal of Applied Physics, 115, 114101 (2014)
2.2 无铅压电陶瓷高通量制备与表征技术
研究效率低下是制约包括无铅压电陶瓷在内的各类高性能功能陶瓷研究的重要因素，组成配方的复杂化与需求的多样化对无铅压电陶瓷材料的研发带来挑战。本方向的研究内容主要包括：功能陶瓷材料高通量制备与表征技术；复杂体系无铅压电陶瓷材料结构-性能关系研究；宽温稳定、低滞后无铅电致应变陶瓷材料研发等。
BNT-BT-KNN体系性能云图与结构-性能关系
宽温稳定-低滞后BNT-BT-KNN基电致应变陶瓷
代表性成果：
1. Guanhua Song, Faqiang Zhang, Zhifu Liu and Yongxiang Li., Electrical properties and temperature stability of SrTiO3-modified (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3- (K1/2Na1/2)NbO3 piezoceramics. Journal of the American Ceramic Society 104 (8), 4049-4057(2021).
2. Guanhua Song, Zhibin Liu, Faqiang Zhang, Feng Liu, Yan Gu, Zhifu Liu and Yongxiang Li., High-throughput synthesis and electrical properties of BNT–BT–KNN lead-free piezoelectric ceramics. Journal of Materials Chemistry C 2020, 8 (11), 3655-3662.
3. Guan Hua Song, Feng Liu, Faqiang Zhang, ZF Liu and Yongxiang Li, High-throughput preparation and properties of BNT based lead-free piezoelectric ceramics, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019, 678(1): 012140.
2.3 无铅压电陶瓷织构化技术
织构化工艺通过控制陶瓷的显微结构，使陶瓷内部晶粒定向排列，从而可有效地提高材料的介电、铁电、压电及力学性能。本方向的研究内容主要包括：水热法、熔盐法等制备模板晶粒及模板的选择优化；丝网印刷、流延法制备工艺的研究；陶瓷晶粒定向生长机理；功能陶瓷各向异性的优化设计及性能剪裁；基于晶粒定向生长原理无铅压电晶体的固相生长法研究等。
丝网印刷织构化工艺示意图
代表性成果：
1. Zhenqian Fu, Jie Yang, Huizhu Yu, et al., Periodic configuration of -boundaries and ferroelectric domains in Li-modified (K, Na)NbO3 lead-free piezoelectric single crystals by solid state crystal growth. Journal of the European Ceramic Society 2017, 37 (2), 593-598.
2. Jie Yang, Qunbao Yang, Yongxiang Li, Yun Liu, Growth mechanism and enhanced electrical properties of K0.5Na0.5NbO3-based lead-free piezoelectric single crystals grown by a solid-state crystal growth method, Journal of the European Ceramic Society, 36, 541-550 (2016).
3. Zhiqiang Zhang, Jie Yang, Zhifu Liu, Yongxiang Li, Evolution of textured microstructure of Li-doped (K,Na)NbO3 ceramics prepared by reactive templated grain growth, Journal of Alloys and Compounds, 624, 158-164 (2015).
4. Yali Li, Chun Hui, Yongxiang Li, Youliang Wang, Preparation of textured K2BiNb5O15 ceramics with rod-like templates by the screen-printing technique, Journal of Alloys and Compounds, 509, L203-L207 (2011)
5. Zhiyuan Lu, Yali Li, Yilin Wang, Wenjun Wu, Yongxiang Li, Anisotropic Dielectric Properties of LiNb0.6Ti0.5O3 Microwave Ceramics by Screen-Printing Templated Grain Growth, Journal of American Ceramic Society, 94, 4364-4370 (2011).
2.4 压电器件及智能结构
压电陶瓷具有机、电、声、光、热、弹等多种功能及耦合效应，可以用作压力、温度、光等多种传感器。压电陶瓷材料具备智能材料所必须的感知、驱动和控制这三个基本要素，将是智能陶瓷及相关器件设计与发展使用的核心材料之一。本方向主要研究新一代高性能压电陶瓷多层化的制备工艺和技术，设计及制备高性能、微型化、智能化和绿色化的压电换能器及其原型器件，为其在智能结构中的应用设计与器件集成提供科学技术基础。
基于无铅压电陶瓷的超声换能器
Ni电极共烧KNN基无铅压电多层器件
代表性成果：
1. 张志强，刘志甫，李永祥，0.84(K0.48Na0.52)NbO3-0.16K0.56Li0.38NbO2.97无铅压电陶瓷的多层膜工艺研究，无机材料学报，29, 23-27 (2014).
2. 李永祥，张志强，刘志甫，杨群保，一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法，中国发明专利号：ZL 201510816013.0
三、敏感材料与集成传感器
3.1 PTC热敏材料与智能电加热器件
正温度系数(PTC)热敏材料由于其独特的电阻-温度特性、时间-电流特性、伏-安特性，在温度传感、温度补偿、过流保护、恒温加热、电机开关、延时启动等领域有广泛的应用，由它制作的元器件广泛用于航空航天、汽车电子、新能源等领域。本研究围绕智能电加热技术的应用需求，建立了无机/有机PTC热敏材料制备和综合性能测试平台，开展了从无机/有机PTC热敏材料到电加热器件的全链条创新研究，设计制备出系列化的PTC陶瓷及柔性PTC材料，通过无机/有机材料组成和微结构设计，实现了PTC材料电学性能的定制化调控，采用具有专利技术的电绝缘和传热一体化封装结构设计，极大提升了PTC电加热器件的发热效率，研制出了满足航空航天等领域应用的高性能PTC电加热组件产品，形成了差异化和高效率的产品研制开发能力。
PTC陶瓷材料阻温曲线及电加热器件样品照片
柔性PTC材料阻温曲线及电加热器件样品照片
代表性成果：
1. 赵瑞钰，欧阳琪，马名生，陆毅青，魏红康，刘志甫，Bi0.5Na0.5TiO3和Bi0.5K0.5TiO3含量对三元固溶体系无铅PTC热敏陶瓷性能的影响，材料导报，37，21110026-1（2023）
2. Mingsheng Ma, Yilin Wang, Yiqing Lu, Wenjun Wu, Yongxiang Li，Effect of ball mill method on microstructure and electrical properties of BaTiO3 based PTCR ceramics，Ceramics International 41，804-808（2015）
3. 欧阳琪，马名生，张发强，陆毅青，顾燕，刘志甫，一种低电阻老化率PTC陶瓷材料及其制备方法，中国发明专利申请号：202310646182.9
4. 欧阳琪，马名生，陆毅青，刘志甫，一种耐超高温的PTC陶瓷加热组件及其制备方法，中国发明专利公开号：CN116156684 A
5. 王依琳，马名生，陆毅青，李永祥，一种适用于曲面加热的新型PTC陶瓷加热元件，中国发明专利授权号：ZL201710218063.8
3.2 集成传感器与陶瓷基微机电系统（C-MEMS）
随着智联网和5G/6G通讯技术的快速发展，无线化、智能化和集成化已成为传感器研究发展的主要方向之一。多层陶瓷技术易于实现三维敏感结构与功能电路的集成，并且陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀和高可靠性，是制备集成传感器和陶瓷基微机电系统（C-MEMS）的理想途径。本研究针对无线通讯、航空航天、能源电子和深海探测等领域应用需求，开展了从多层陶瓷材料到集成传感器的全链条创新研究，重点突破出了陶瓷基板空腔、微流通道、含内电极圆管等异质异构敏感元构建技术，获得了无源无线气体、液体、距离、压力以及压力/温度集成传感器，研制的高精度电导率传感器在舰艇水文测量系统中成功应用，解决了关键器件的国产化问题。本研究致力于感、存、算、传一体化集成技术研究，开展了锂电池内部状态监测用集成传感微系统研制，以及基于MLCC技术的多层陶瓷电池（MLCB）研发，推动多层陶瓷技术在能源电子等新兴产业的新应用。
代表性成果：
1. Tingting He, Mingsheng Ma, Haogeng Li, Faqiang Zhang, Feng Liu, Zhifu Liu, Xiaogan Li, Integrated wireless micro？uidic liquid sensors based on low temperature co-fred ceramic (LTCC) technology, Sensors & Actuators: A. Physical, 346, 113840 (2022)
2. Yu Liang, Mingsheng Ma, Faqiang Zhang, Feng Liu, Tan Lv, Zhifu Liu, Yongxiang Li, Wireless Microfluidic Sensor for Metal Ion Detection in Water, ACS Omega, 6, 9302-9309 (2021)
3. Yongyuan Liang, Mingsheng Ma, Suxiang Qian, H Zhuang, K Li, Zhifu Liu, Yongxiang Li, Biocompatibility of Borosilicate Glass-ceramics Based LTCC Materials for Microfluidic Biosensor Application, International Journal of Applied Ceramic Technology, 17, 365-371 (2020)
4. Lin Lin, Mingsheng Ma, Faqiang Zhang, Feng Liu, Zhifu Liu, Yongxiang Li, Integrated passive wireless pressure and temperature dual-parameter sensor based on LTCC technology, Ceramics International, 44, S129-S132 (2018)
5. 马名生，刘峰，张发强，刘志甫，一种七电极电导率传感器的制备方法，中国发明专利号：ZL 202010249894.3
沪公网安备 31010502006565号
