当前位置：文档库 › 几种典型微波介电陶瓷的结构与性能研究

几种典型微波介电陶瓷的结构与性能研究

摘要............................................................................................................................................. I Abstract .................................................................................................................................... III 目录.......................................................................................................................................... IX 第一章绪论 (1)

1.1 微波介电陶瓷 (1)

1.1.1 微波介电陶瓷发展历史 (1)

1.1.2 微波介电陶瓷的分类 (2)

1.1.3 微波介电陶瓷的发展趋势 (4)

1.2 计算材料科学 (5)

1.2.1 材料的结构与相变 (5)

1.2.2 材料的缺陷 (5)

1.2.3 材料的力学性质 (6)

1.2.4 材料的振动与热力学性质 (6)

1.2.5 第一性原理方法的局限性 (7)

1.3 钙钛矿材料和尖晶石材料概述 (7)

1.3.1 钙钛矿材料的晶体学基础 (7)

1.3.2 钙钛矿结构陶瓷的极化机理 (9)

1.3.3 尖晶石材料的晶体学基础 (10)

1.3.4 尖晶石结构中金属离子分布规律 (11)

1.4 课题研究意义与主要内容 (12)

1.4.1 研究的目的和意义 (12)

1.4.2 主要研究内容 (12)

第二章计算理论与方法 (15)

2.1 引言 (15)

2.2 密度泛函理论(DFT) (15)

2.2.1 绝热近似 (15)

2.2.2 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程 (16)

2.2.3 交换-关联函数 (17)

2.3 平面波赝势法 (19)

2.3.1 赝势的基本性质 (19)

2.3.2 模守恒赝势 (20)

2.3.3 超软赝势 (21)

2.4 晶格动力学 (22)

2.4.1 声子 (22)

西北工业大学博士学位论文

2.4.2 格波的基本特点 (22)

2.4.3 密度泛函微扰理论 (23)

2.4.4 冻结声子法 (24)

2.5 热力学性质的理论计算 (24)

2.5.1 晶格热容理论 (24)

2.5.2 准简谐近似 (25)

2.5.3 德拜模型 (26)

2.6 本文所用软件介绍 (27)

第三章立方结构微波介电陶瓷性能的理论研究 (29)

3.1 BaTaO2N性能的理论研究 (29)

3.1.1 引言 (29)

3.1.2 物理模型与计算方法 (29)

3.1.3 几何结构优化 (31)

3.1.4 能带结构与态密度 (31)

3.1.5 光学性质 (33)

3.2 0.5NdAlO3-0.5CaTiO3陶瓷性能的理论研究 (36)

3.2.1 引言 (36)

3.2.2物理模型与计算方法 (36)

3.2.3 几何结构优化 (38)

3.2.4 能带结构与态密度 (39)

3.2.5 弹性性质 (40)

3.2.6 德拜温度 (43)

3.2.7 光学性质 (43)

3.3 本章小结 (45)

第四章正交结构微波介电陶瓷性能的理论研究 (47)

4.1 Ca0.5Sr0.5TiO3陶瓷性能的理论研究 (47)

4.1.1 引言 (47)

4.1.2 物理模型与计算方法 (47)

4.1.3 能带结构与态密度 (48)

4.1.4 弹性性质 (51)

4.1.5 光学性质 (53)

4.2 不同结构钛酸钙性能的理论研究 (55)

4.2.1 引言 (55)

4.2.2 物理模型与计算方法 (57)

4.2.3 不同结构钛酸钙的能带结构与态密度 (60)

4.2.4 不同结构钛酸钙的布居分析 (61)

4.3 本章小结 (62)

第五章尖晶石结构陶瓷性能的理论研究 (65)

5.1 引言 (65)

5.2 理论和计算方法 (65)

5.2.1 平衡状态方程 (65)

5.2.2 弹性性质 (68)

5.2.3 声子谱和热力学性质 (70)

5.3 计算细节 (71)

5.4 计算结果与讨论 (71)

5.4.1 几何结构优化 (71)

5.4.2 平衡态性质 (72)

5.4.3 弹性及相关性质 (73)

5.4.4 声子谱与声子态密度 (78)

5.4.5 热力学性质 (81)

5.5 小结 (85)

第六章微波介电陶瓷的制备与表征 (87)

6.1 复合钙钛矿结构陶瓷的制备 (87)

6.1.1 实验仪器与主要原料 (87)

6.1.2 陶瓷样品的制备工艺流程 (87)

6.2 材料的测试 (88)

6.2.1 样品密度测量 (88)

6.2.2 相组成与微观结构 (89)

6.2.3 微波介电性能测试 (89)

6.3 实验结果与分析 (91)

6.3.1 0.7CaTiO3-0.3NdAlO3陶瓷性能研究 (91)

6.3.2 0.7CaTiO3-0.3SmAlO3陶瓷性能研究 (95)

6.3.3 CaTiO3基陶瓷材料介电性质与结构的关系 (99)

6.4 本章小结 (100)

第七章结论 (101)

参考文献 (103)

攻读博士学位期间发表的学术论文 (117)

致谢 (119)

西北工业大学博士学位论文

第一章绪论

1.1 微波介电陶瓷

微波指频率介于无线电频谱与红外波之间的电磁波，频率范围300MHz~300GHz ，对应波长1m 到1mm 。微波具有以下特征：(1) 波长较短，方向性较强，适用于雷达等通讯设备；(2) 频率范围高，可用波段数是无线电波的1000倍，有利于微波通信；(3) 可穿透高空电离层，适合卫星通信。微波通信技术已被广泛应用于各种军用、工业及民用产品中，如卫星定位系统、广播电视、通讯及医用微波诊断设备等[1-5]。

当前的微波通信设备正沿着小型化、智能化和低成本化的趋势发展，设计开发相应的高性能和高稳定性微波电子器件材料成为现代通信技术的关键[6, 7]。设备的小型化与轻量化可借助先进的电路设计和更高的集成度实现；而更稳定的基础材料不仅能有效缩小元件体积，还可提高元件稳定性。微波介电陶瓷是一种体积小、质量轻及性能优良的新型功能电子材料，是近年来的研究热点。在微波频段，微波介电陶瓷材料具有高介电常数(εr )以保证器件的小型化；低介电损耗(tan δ，或高Q ·f )以保证系统的低损耗；小的谐振频率温度系数(τf )以保证良好的环境及温度适应性；此外陶瓷材料具有优良的力学性能与化学稳定性，可保证器件在各种环境中的高性能与高稳定性[7]。

1.1.1 微波介电陶瓷发展历史

1939年，美国斯坦福大学的Richtnlyer [8]首次提出“介质谐振器”的概念，从理论上证明了具有特定形状的陶瓷材料可应用于微波谐振器。但此后20多年，由于没有发现新的适合微波电路的陶瓷材料，介质谐振器的发展受阻。直到1960年代早期，哥伦

比亚大学的Okaya 和Barash [9, 10]发现TiO 2单晶可用于介质谐振器，

他们测量了从室温到50K 温度范围内TiO 2单晶在微波频段下的介电常数和品质因数。随后的研究发现TiO 2单晶能够满足微波频率的需求，但由于它具有较大的谐振频率温度系数，不能满足微波介质谐振器的要求。同年，Hakki 和Coleman [10, 11]提出了评价材料介电常数和品质因数的有效方法，促进了微波介电材料的研究。直到1970年，Masse 等人[12]研制出低损耗的49BaTi O 陶瓷，才使介质谐振器的应用有了新的突破。

自从20世纪70年代制备出49BaTi O 陶瓷以来，微波介电陶瓷得到了快速的发展与应用。1975年，美国Bell 实验室进一步改善了2BaO-TiO 系陶瓷[13-16]，得到介电性能优异的2920Ba Ti O 陶瓷，使微波介电陶瓷的应用进入实用阶段；随后，日本Murata 公司研制出4Zr Sn ()TiO ，系介电材料，Wakino 等人[17, 18]研制出相对介电常数r ε为36.8~38.9，

品质因数值Q 大于6300(?7GHz =)，谐振频率温度系数f τ几乎为0的介电材料，使介

电材料在微波技术中的应用得到长足发展，促进了微波通讯技术的进步。随后，钡钛体