“电子陶瓷”科研道路上的尖兵

于晓杰

打开手机外壳，你就会看到许多精小的贴装电子元器件，其实这才是手机的“真身”，而电子陶瓷则是其最主要的材料之一。电子陶瓷，是在电子技术领域应用的功能陶瓷，通过对晶粒、晶界和尺寸结构的精密控制，获得了能够利用电、磁等性质的“超能力”，目前，它在信息能源、家用电器、汽车电子等方面都有广泛地应用。

“其实不但是民用产品，在军用产品中，电子陶瓷的使用也很多。我们现在主要研究的介电材料和压铁电材料都属于它的范畴。”侯育冬说。从博士时期起，他就一直沉醉于电子陶瓷的研究，对他来说，研究这种神奇的材料既是工作，也是乐趣。

打开压电材料发电之门

“我本科和硕士阶段学习的是化学专业，后来考进西北工业大学材料科学与工程系攻读博士。”当时国家非常重视电子陶瓷行业的发展，而侯育冬的导师田长生教授恰好就在上世纪90年代转入这方面的研究。在他的引领下，侯育冬入了门。“我很感谢我的博士导师，是他带我发现了电子陶瓷的魅力，让我爱上了这个研究领域。同时，我的老师还很重视研产结合，这对我的影响很大。”

2003年，侯育冬来到北京工业大学材料科学与工程学院工作，利用自身学术背景，着手组建先进电子陶瓷材料与器件研究室。经过十余年的发展，在国家和北京市政府的大力支持下，研究室建设取得了长足的进步，已拥有国际一流的电子陶瓷制备与测试装备。至今为止，侯育冬已经主持了数十项国家和北京市各类科研项目，其中压电陶瓷的研究是一大亮点。

当今世界化石能源日益短缺，寻找和发展可持续性的新型能源，并进行高效采集成为各国政府所面临的紧迫任务之一。“机械振动能在环境中普遍存在，例如机器的噪声、人在地板上的行走、汽车的行驶等日常现象，其实都可以造成振动，而这种振动是可以作为清洁能源加以利用的”，侯育冬介绍说，以压电陶瓷为核心的压电能量收集器能够捕获环境中的振动能，经处理后可实现供电的目标。

可新技术的实现并不容易。压电陶瓷一般为高阻电介质，利用其转换得到的电能具有高电压、低电流的特性，功率较小，因而长时间以来利用其发电并未引起人们关注，但是随着近年来物联网技术的迅猛发展掀起新一轮工业技术革新，转折点出现了。侯育冬告诉记者：“与物联网相关的低功耗微电子器件设计技术的进步在一定程度上解决了这一问题，使利用压电能量收集技术供电成为可能。”

在我国，与光伏发电、风能发电和热电发电等新能源技术相比，压电发电的关注度低，研究极为薄弱。为了提升我国在压电发电领域的技术水准，侯育冬带领团队围绕高换能系数压电陶瓷开展一系列创新研究。他通过归纳总结压电陶瓷材料性能调控方面的主要研究成果；比较能量收集用铅基、无铅压电陶瓷材料的机电转换性能；讨论具有高机电转换性能压电陶瓷材料设计方法等工作，指出了能量收集用压电陶瓷材料研究发展中的主要问题，并为进一步开展研究提供了新思路！

“在材料设计方面，现有的用压电陶瓷进行能量收集的研究，主要通过大范围的组分调控获得机电转換性能优异的材料体系，但由于缺乏普适的预测模型与理论支撑，性能提升起来非常有限，工作量还极大。”而在制备工艺方面，侯育冬认为在未来的研究中，可采用化学法制备纳米尺寸的前驱陶瓷粉体，结合热压烧结或是放电等离子烧结等特种烧结工艺，实现晶粒尺寸梯度化精确调控，在提升材料力学性能的同时，基于“尺寸效应”迁移准同型相界位置，从而获得力电性能均衡的能量收集细晶陶瓷材料。同时，他还指出将不同介电与压电活性的组元进行拼接组合，设计复相结构也是提升材料压电收集特性的重要途径。“目前，能量收集用压电陶瓷的研究仍以铅基PZT材料为主，其在军事和航空航天领域的应用短时间内无法替代，但性能尚需进一步优化。而民用领域，特别是家用和医疗领域，对于压电材料无铅化的要求日益迫切。可是和铅基材料相比，无铅材料的机电转换性能较低，退极化严重，机械力学性能尚不明确，还需要进一步研究。”

压铁电陶瓷的设计，微结构控制与力电行为物理机制研究，是侯育冬的另一个贡献点。他发现了金红石与钙钛矿类先兆性铁电体中极性纳米簇的诱导生成机制、动力学响应规律，并对宽频介电弛豫谱进行了解析研究；对多组元细晶压电陶瓷体系晶粒进行了多尺度生长调控，总结了晶界与相结构演化及相关力学与电学行为变化规律；研究了复杂体系压电陶瓷过渡系掺杂元素的价态分布与缺陷结构演变，提出新颖的等价掺杂诱导第二相生成机制，并明确了液相烧结行为及电学参数定向调控的关联性。此外，侯育冬利用其深厚的化学功底，发展了熔盐拓扑化学、胶体水热化学和水基溶胶凝胶化学等新方法成功构建出十余种不同尺度与取向结构的压铁电纳米材料，有力推动了纳米电子陶瓷器件的应用化研究。“这就是学科交叉的优势，因为我有化学、电子学和材料物理等多个学科的科研背景。”侯育冬说。苦心钻研带来的收获是一百余篇高质量的学术论文，这些发表在Acta Mater、J AmCeram Soc和Appl Phys Lett等顶尖学术期刊上的科研成果大大提升了我国在相关压铁电材料研究领域的国际影响力。研产结合者

在侯育冬的心中，理论研究很重要，实际应用亦是关键，把这两者有效地融合起来，是他一直在追求的目标。“目前，中国的科研还存在一个问题，就是学术研究与成果的实际应用之间还是有割裂的，在科研成果应用及产业化上，我们与国外有不小的距离。”侯育冬认为，做科研可以多尝试与企业合作，“这会使你更重视实际问题，合作的过程还可能让你的研究目的更明确”。

在这种思想的指引下，侯育冬带领课题组深入开展了电子陶瓷材料性能调控与器件应用的关联性研究。目前，已成功试制出多种重要的电子陶瓷元器件，例如超高温大容量多层陶瓷电容器、多层压电陶瓷变压器和高频高稳定压电陶瓷滤波器等，并以第一发明人获授权十余项国家发明专利。

侯育冬坦言，将成果应用到工业生产并不容易，“这个过程实际上需要花费非常大的精力，一方面需要做调研；另一方面还要派人到企业工作，开销会增加不少，但是为了得到理想的结果，这么做还是值得的。”

“现在，我们重点关注新能源领域压电能量收集器研究。”在北京工业大学国际交流项目的支持下，侯育冬团队与欧洲丹麦的高校和企业联合开展“中丹高性能压电能量收集器技术创新平台建设”。经过技术攻关，侯育冬课题组已经设计并组装可用于评价悬臂梁和叠堆模式压电能量收集器发电特性的动态测试样机，该项成果可为制备高换能系数能量收集材料的器件化测试提供有力支撑，他也期望能够将其尽快应用到产业中。

以己度人，侯育冬热心于将科研路上的经验传授给学生，希望他们也成长为热爱科研专业，具有产业视野的复合型人才。对于学生的课题研究，侯育冬只抓大方向，给学生们一个较宽松的平台，这么做是因为他想培养学生的独立思考能力，而不想让其变成一个实验“操作工”。但他的“宽松”是以“计划”为前提的，他每个学期都会给学生制定学习与工作计划，要求学生每个月完成一些任务，以督促他们进步。同时，侯育冬还鼓励学生去参加国际相关会议和企业实践，从而让他们开阔视野并提升实践能力。

作为北京工业大学创新创业实训基地——“先进电子陶瓷材料与器件”基地负责人，他将学生培养与基地建设融在一处。通过北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”项目——“耐高温大容量多层陶瓷电容器瓷料的设计与合成”，侯育冬课题组与国内最大的军工陶瓷电容器生产商——北京元六鸿远电子技术有限公司合作组建“电子陶瓷材料”企业校外实训基地，他把学生真正推到科研与产业一线上去。

这些作为，为他赢得了学生的尊重，也收获了良好的口碑。2012年，侯育冬以第一完成人申报的教学成果“电子陶瓷材料专业人才培养体系的构建与实践”获得北京工业大学优秀教育教学成果奖。而且，他还曾先后获得北京工业大学教学优秀奖、学业辅导工作实效奖和北京工业大学优秀教师奖。培养的学生中也先后有数十人获得国家奖学金、校长奖学金、三星奖学金、科技之星、优秀博士学位论文、優秀硕士学位论文和北京市优秀毕业生等荣誉。

对于未来，侯育冬很有“野心”，“目前我依旧热爱我的工作，我要把它做到一个更高的水平，在压电陶瓷这块我希望我们能做到国内顶尖。”另外在电子陶瓷产业化方面，他将继续加深与企业之间的合作，希望日后能够填补国内该领域高端产品制造的空白，“这将涉及到我国军事航天领域的发展，我们必须要自己掌握相关的核心技术。”侯育冬说。