陶瓷介质微波性能的第一性原理研究

发布时间：2017-04-07 13:06

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【摘要】：近年来,随着通信技术(雷达、移动通信等)的不断发展,通信设备已经逐渐向高能、轻便化发展,微波通讯的研究与发展已然成为通讯技术发展的重点之一。这就要求微波材料,尤其是微波介质陶瓷材料应具有良好的微波介电性能：品质因数高、介电常数适中、谐振频率温度系数近零等。然而对于微波介质陶瓷材料而言,大多情况下微波介电性能虽良好,但陶瓷的烧结温度过高,无法满足LTCC技术的要求。因此,有必要在现有材料体系基础上,探讨低温烧结工艺、微观组织结构,以及本征因素对烧结特性和微波介电性能的影响。本项目采用理论与实验相结合的方式,探讨了本征因素与非本征因素对陶瓷微波性能的影响。通过第一性原理计算,得到了AW04(A=Ca,Ba).Mg2Ti04. Mg2SiO4陶瓷介质的电子结构、结合能、态密度以及Mulliken布居,成功地解释了前期实验中观测到的AW04高能球磨过程中的晶化现象,解决了实验中制备工艺的“盲试”问题。同时,基于理论计算的结果,系统研究了高能球磨及低温烧结法制备陶瓷微波介电性能。主要研究成果有：(一)CaWO4与BaWO4的结合能分别为-41.3 eV和-45.1 eV,因此通过高能球磨法在极短时间内(30 min)成功制备出AWO4(A=Ca,Ba)单相粉体。AW04(A=Ca,Ba)材料的能带结构、电子态密度、Mulliken布居的计算结果表明：AW04(A=Ca,Ba)的02p和W5d轨道对费米能级附近的价带顶部与导带底部有大量贡献,再考虑到Mulliken布居的特征,揭示了W-O键为共价键。该共价键强大相互作用为品质因数Q×f做出主要贡献。另外,理论计算得到CaW04的介电常数为11.2,BaW04的为9.3；相应的谐振频率温度系数f(theo) CaWO4=-34ppm/°C, τf(theo) BaWO4=-42ppm/°C。实验上ACO3-WO3经过30 h球磨后,成功细化得到110～120nm的纳米粉体,在900-10000C下低温制备出高致密度的单相陶瓷,且具有较好的微波介电性能。理论结果与实验所测结果基本一致。(二)计算得到Mg2Ti04的结合能为-53.8 eV,预计不能仅通过高能球磨完全合成Mg2Ti04纯相。Mg2,Ti04理论介电常数εtheo=14.4,与实验测得εr=13.9相比基本一致。能带结构与态密度的计算发现,在费米能级附近的价带顶部与导带底部附近态密度的主要贡献为02p轨道和Ti3d轨道,表明Ti-O为共价键。与贡献极小的Mg3s轨道相比,Ti-O键的共价相互作用比Mg-O离子键作用强很多。在Mg2Ti04的中Ti-O共价键强大的共价相互作用为品质因数Q×f做出了主要贡献。实验上成功制备了单相Mg2Ti04陶瓷,结构致密,微波介电性能良好,与理论结果基本相符。(三)通过第一性原理计算所得Mg2SiO4材料的结合能偏高为-75.3 eV。Mg2Si04的态密度中,费米能级附近的价带顶部与导带底部附近的态密度主要贡献为轨道02p和Si3p。该两轨道较大的贡献表明Si-O为共价键。从PDOS峰的强度来看,Si 3p轨道的峰值强度远高于Mg 3s轨道,这意味着Si-O键的共价相互作用远大于Mg-O离子键作用。因此,在Mg2Si04的微波介电性能中Si-O键强大的共价相互作用为品质因数Q×f做出了主要贡献。实验制备的单相Mg2Si04陶瓷,结构致密,且具有良好的微波介电性能。测量得到Mg2Si04的Q×f高达193,800 GHz,这正好印证了共价键的贡献。
【关键词】：微波介质陶瓷 结合能 第一性原理 态密度 介电性能
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-30
• 1.1 微波介质陶瓷简介10-16
• 1.1.1 微波介质陶瓷的分类及发展11-15
• 1.1.2 微波陶瓷的研究现状及发展趋势15-16
• 1.2 低温共烧技术16-19
• 1.2.1 LTCC技术简介16-17
• 1.2.2 低温烧结途径17-19
• 1.3 论文的理论依据19-27
• 1.3.1 第一性原理19-20
• 1.3.2 介电性能相关理论20-27
• 1.4 本文的研究目的及意义27-28
• 1.5 本文主要研究内容28-30
• 第2章 理论基础与实验设计30-48
• 2.1 理论基础30-35
• 2.1.1 绝热近似与单电子近似30-32
• 2.1.2 密度泛函理论32-34
• 2.1.3 交换相关泛函34-35
• 2.1.4 赝势35
• 2.2 CASTEP计算软件包35-36
• 2.3 高能球磨工艺36-42
• 2.3.1 高能球磨的合金化机理37-38
• 2.3.2 工作机理及影响因素38-42
• 2.4 实验设计42-48
• 第3章 AWO_4(A=Ca,Ba)陶瓷介质微波性能的第一性原理计算48-72
• 3.1 引言48-50
• 3.2 模型建立与实验方法50-52
• 3.2.1 模型建立及计算方法50
• 3.2.2 实验过程50-52
• 3.3 结果与讨论52-70
• 3.3.1 几何优化与结合能52-54
• 3.3.2 能带结构、电子态密度与Mulliken布居54-59
• 3.3.3 介电性能理论计算59-60
• 3.3.4 实验测试与表征60-70
• 3.4 本章小结70-72
• 第4章 Mg_2TiO_4微波陶瓷材料介电性能的第一性原理计算72-90
• 4.1 引言72-73
• 4.2 模型建立与实验过程73-74
• 4.2.1 模型建立73-74
• 4.2.2 实验设计74
• 4.3 结果与讨论74-87
• 4.3.1 第一性原理计算74-77
• 4.3.2 物相组成及微观表征77-85
• 4.3.3 性能测试85-87
• 4.4 本章小结87-90
• 第5章 Mg_SiO_4陶瓷微波介电性能的第一性原理计算与测试90-108
• 5.1 前言90-91
• 5.2 理论计算与实验设计91-92
• 5.2.1 理论计算91-92
• 5.2.2 实验过程92
• 5.3 结果与讨论92-105
• 5.3.1 结合能与性能计算92-96
• 5.3.2 微观表征96-103
• 5.3.3 微波介电性能的测试103-105
• 5.4 本章小结105-108
• 第6章 结论108-110
• 参考文献110-122
• 致谢122-124
• 攻读博士学位期间的研究成果124

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本文编号：290490