發(fā)布時間：2020-11-02 17:18

　　 隨著無線通訊的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及,微波陶瓷器件在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛。例如RFID組件、諧振器、濾波器、振蕩器、天線、介質(zhì)基板等。微波器件尺寸小型化、低損耗、和工作頻率穩(wěn)定性的要求日趨明顯。電磁波在折射率為n=(ε_r)~(1/2)的材料中傳播時,其等效波長為λ/n。器件尺寸要和等效波長相當(dāng),故器件尺寸的小型化可以通過采用高介電常數(shù)ε_r陶瓷材料實(shí)現(xiàn)。品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)定義為材料的損耗,因此低損耗可以通過采用高品質(zhì)因數(shù)的陶瓷材料實(shí)現(xiàn)。工作頻率的穩(wěn)定性可以由具有近零頻率溫度系數(shù)的陶瓷實(shí)現(xiàn)。盡管部分陶瓷表現(xiàn)出較高的介電常數(shù)和品質(zhì)因數(shù),但非零的頻率溫度系數(shù)阻礙了這些陶瓷的廣泛應(yīng)用。頻率溫度系數(shù)可以通過離子取代或者多相復(fù)合實(shí)現(xiàn)調(diào)零,但是在調(diào)零過程中,品質(zhì)因數(shù)的變化規(guī)律卻難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測或計算。本論文依據(jù)Maxwell方程組,以典型的高介電常數(shù)陶瓷Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)和Ca_(0.61)Nd_(0.26)TiO_3為研究對象,從理論上和實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)地研究了品質(zhì)因數(shù)的計算方法,獲得了規(guī)律性的研究結(jié)果。本論文取得的具有創(chuàng)新意義的研究成果主要包括:1)對于微波頻段下電導(dǎo)損耗較高的陶瓷,通過不等價離子取代證實(shí)了品質(zhì)因數(shù)和對于微波頻段下電導(dǎo)損耗的關(guān)系:？~(-1)=？/(？？);2)對于微波頻段下電導(dǎo)損耗較低的陶瓷,僅考慮極化損耗,基于經(jīng)典Harmonic oscillator理論,推導(dǎo)出了多相復(fù)合陶瓷品質(zhì)因數(shù)的計算公式？~(-k)=n-1 to j(V_j？_j~(-k)？~k_(rj))/n-1 to j(V _j？~k_(rj))。歸納梳理本論文的實(shí)驗(yàn)及理論研究過程,具體研究內(nèi)容如下:1、根據(jù)Maxwell方程組可知總損耗tan？=？/？+？/(？？)是由極化損耗和電導(dǎo)損耗組成。當(dāng)陶瓷微波頻段下電導(dǎo)損耗較高時,tan？≈？/(？？),并據(jù)此設(shè)計了通過不等價離子取代降低陶瓷微波頻段下電導(dǎo)損耗進(jìn)而提升陶瓷品質(zhì)因數(shù)的方案。根據(jù)Goldschmidt準(zhǔn)則,以離子半徑差、電負(fù)性差和價態(tài)差為標(biāo)準(zhǔn),篩選出針對Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)和Ca_(0.61)Nd_(0.26)TiO_3陶瓷可以實(shí)現(xiàn)鈦位離子取代的離子。2、通過傳統(tǒng)固相合成法,在高微波頻段下電導(dǎo)損耗較高的Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)中引入低價Al~(3+)取代,研究了該離子取代對陶瓷微波介電性能的影響。根據(jù)陶瓷Powder X-ray Diffraction(XRD)分析和精修,證實(shí)了小離子半徑的Al~(3+)固溶進(jìn)了Ti~(4+)位。根據(jù)X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)取代后的陶瓷表現(xiàn)出較低的電導(dǎo)率,同時陶瓷的品質(zhì)因數(shù)隨著微波頻段下電導(dǎo)率的降低而降低,證實(shí)了微波頻段下電導(dǎo)損耗和品質(zhì)因數(shù)之間的聯(lián)系:？~（-1）=？/(？？)。根據(jù)Clausius-Mosotti方程探討了平均離子極化率對介電常數(shù)非線性的控制關(guān)系。根據(jù)電容器模型,驗(yàn)證了頻率溫度系數(shù)和介電常數(shù)的線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者的比例約為常數(shù)1 ppm/℃。Ba_(3.75)Nd_(9.5)(Ti_(0.917)Al_(0.111))_(18)O_(54)陶瓷在1350 ℃保溫?zé)Y(jié)2小時時表現(xiàn)出優(yōu)良的微波性能:？_？=73,？？=13000GHz,？_？=+5ppm/℃。3、通過固定Al~(3+)取代含量,研究了Ba_(6-3x)Nd_(8+2x)Ti_(18)O_(54)陶瓷在x取不同值時微波介電性能變化規(guī)律。通過對比Al~(3+)取代前后陶瓷的品質(zhì)因數(shù)值發(fā)現(xiàn):當(dāng)x大于2/3時,陶瓷較易發(fā)生鈦還原,通過Al~(3+)取代可以有效抑制鈦還原,進(jìn)而提高陶瓷品質(zhì)因數(shù);當(dāng)x小于2/3時,陶瓷微波頻段下電導(dǎo)損耗遠(yuǎn)低于極化損耗。介電常數(shù)和頻率溫度系數(shù)在Al~(3+)取代前后的變化規(guī)律均一致。4、在高微波頻段下電導(dǎo)損耗較高的Ca_(0.61)Nd_(0.26)TiO_3陶瓷中引入Al~(3+)取代,研究離子取代對其微波介電性能的影響。通過XRD分析和精修,證實(shí)了離子取代。根據(jù)XPS檢測,發(fā)現(xiàn)隨著取代量的增加,微波頻段下電導(dǎo)率降低且品質(zhì)因數(shù)上升,證實(shí)了微波頻段下電導(dǎo)損耗和品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系:？~(-1)？/(？？)。根據(jù)Clausius-Mosotti方程,發(fā)現(xiàn)陶瓷的介電常數(shù)主要受控于平均離子極化率。根據(jù)電容器模型,發(fā)現(xiàn)頻率溫度系數(shù)與陶瓷介電常數(shù)的比值基本為一定值約5ppm/℃。討論了第二相對陶瓷微波介電性能的影響。在1400℃保溫?zé)Y(jié)2小時,Ca_(0.61)Nd_(0.26)Ti_(0.9)Al_(0.111)O_3陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)良的微波特性:？_r=72,？f=15500GHz,？_？=+155ppm/℃。5、針對單獨(dú)的Al~(3+)取代會導(dǎo)致Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)介電常數(shù)偏低的問題,根據(jù)Goldschmidt準(zhǔn)則,通過引入高離子極化率的Nb~(5+)與Al~(3+)同時取代,維持了陶瓷較高的介電常數(shù)。通過XRD檢測和精修,證實(shí)了離子取代。通過對比氣孔率和晶粒尺寸,和Al~(3+)取代陶瓷的品質(zhì)因數(shù),證實(shí)該方法可以有效提升陶瓷的品質(zhì)因數(shù)。證實(shí)了電容器模型理論,發(fā)現(xiàn)頻率溫度系數(shù)與陶瓷介電常數(shù)的比值基本為一定值約1 ppm/℃。Ba_(3.75)Nd_(9.5)(Ti_(0.917)(Al_(0.5)Nb_(0.5))_(0.083))_(18)O_(54)陶瓷在1400 ℃保溫?zé)Y(jié)2小時表現(xiàn)出優(yōu)良的微波特性:？_r=80,？？=12000 GHz,？_？=+7ppm/℃。6、為克服單獨(dú)采用Al~(3+)取代導(dǎo)致Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)介電常數(shù)偏低的問題,同時為了驗(yàn)證Goldschmidt準(zhǔn)則對于離子價態(tài)差大于1時取代量會較低的預(yù)測,在該陶瓷中引入了(Mg_(1/3)Nb_(2/3))~(4+)取代。通過XRD檢測和精修分析,發(fā)現(xiàn)陶瓷的晶胞體積隨取代量的增加而增大,證實(shí)了離子取代。該離子取代同樣可以維持陶瓷較高的品質(zhì)因數(shù),并且相較于Al~(3+)取代,其較高的平均離子極化率維持了陶瓷較高的介電常數(shù)。(Mg_(1/3)Nb_(2/3))~(4+)取代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了Goldschmidt準(zhǔn)則。即當(dāng)取代和被取代的兩種離子價態(tài)相差大于1時,相對于Al~(3+)取代,其取代量較低僅約0.028。并討論了第二相對陶瓷性能的影響。證實(shí)了電容器模型理論,頻率溫度系數(shù)與陶瓷介電常數(shù)的比值基本為一定值約1ppm/℃。Ba_(3.75)Nd_(9.5)(Ti_(0.972)(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.028))_(18)O_(54)陶瓷在1360℃保溫?zé)Y(jié)2小時可以獲得微波特性:？_？=85,？？=10500GHz,？_？=+35ppm/℃。7、在Ca_(0.61)Nd_(0.26)TiO_3中引入(Cr_(1/2)Nb_(1/2))~(4+)取代。與Al~(3+)取代相比,隨著(Cr_(1/2)Nb_(1/2))~(4+)取代量的增加,介電常數(shù)降低幅度較小,達(dá)到了維持陶瓷高介電常數(shù)的目的。通過XPS檢測,發(fā)現(xiàn)取代后的陶瓷Ti~(3+)含量降低,即微波頻段下電導(dǎo)率較低,同時表現(xiàn)出較高的品質(zhì)因數(shù),證實(shí)了微波頻段下電導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)之間的倒數(shù)關(guān)系。證實(shí)了電容器模型,發(fā)現(xiàn)頻率溫度系數(shù)和介電常數(shù)的比值基本為一定值約5ppm/℃。Ca_(0.61)Nd_(0.26)Ti_(0.9)(Cr_(1/2)Nb_(1/2))_(0.1)O_3陶瓷在1400 ℃保溫?zé)Y(jié)2小時,微波性能為:？_r=95,？？=15000GHz,？_？=+170ppm/℃。8、在微波頻段下高電導(dǎo)損耗的Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)陶瓷中,當(dāng)采用等價Bi~(3+)離子取代時,根據(jù)Jonscher準(zhǔn)則,陶瓷品質(zhì)因數(shù)僅受諧振頻率的影響:？~(-1)？？~n。根據(jù)XRD檢測數(shù)據(jù)和精修晶胞參數(shù)分析,證實(shí)了離子取代。Bi~(3+)取代后的陶瓷氣孔率較高,但是,根據(jù)Clausius-Mosotti方程,平均離子極化率和介電常數(shù)并非線性關(guān)系,因此陶瓷仍然保持介電常數(shù)不斷上升的趨勢。但較高的氣孔率導(dǎo)致陶瓷品質(zhì)因數(shù)不斷降低。9、當(dāng)陶瓷微波頻段下電導(dǎo)損耗較低時,采用多相復(fù)合可以有效地調(diào)節(jié)體系的頻率溫度系數(shù),但是品質(zhì)因數(shù)隨著取代量的變化卻難以預(yù)測。根據(jù)Harmonic Oscillator模型,在微波頻段下,對于一個給定的材料,其品質(zhì)因數(shù)僅受諧振頻率控制。對于多相復(fù)合陶瓷,其介電常數(shù)隨兩相的體積摩爾比變化可以由Maxwell-Wagner公式擬合,并得到唯一的擬合參數(shù)k。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出新的品質(zhì)因數(shù)計算公式,可以準(zhǔn)確地計算兩相復(fù)合過程中陶瓷品質(zhì)因數(shù)的變化規(guī)律。經(jīng)過對比該公式的計算結(jié)果和已有報道的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其不但可以成功預(yù)測多相共存的材料品質(zhì)因數(shù),并且還可以應(yīng)用于固溶體和等價離子取代的情況。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.756
【部分圖文】：

達(dá) 40000 GHz，同時，陶瓷的頻率溫度系數(shù)更是被改進(jìn)波陶瓷介電常數(shù)較低，而介電常數(shù)較高的微波陶瓷也發(fā)現(xiàn)。除了最早發(fā)現(xiàn)的 TiO2，目前介電常數(shù)大于 80 的xLn8+2xTi18O54或 CaTiO3有關(guān)[12, 13]。，Bolton 系統(tǒng)地研究了富鈦的 BaO-Nd2O3-TiO2三相體系相圖[12]。他在該體系中發(fā)現(xiàn)了含有兩種高介電常數(shù)，低，Kolar 等報道了 BaNd2Ti3O10，BaNd2Ti5O14陶瓷的介981 年 Razgon 等首次報道了 BaNd2Ti4O12陶瓷[12]。而kuda 等均證實(shí) BaNd2Ti5O14陶瓷的晶胞參數(shù)實(shí)際上和BaN結(jié)果是一致的[12]。這說明二者只有一個是單相。隨后，i5O14陶瓷實(shí)際上除了 BaLn2Ti4O12陶瓷相，還含有 BaTn4Ti9O24等。至此，BaNd2Ti4O12陶瓷的分子式被確定[1發(fā)現(xiàn)，具有 Ba6-3xNd8+2xTi18O54通式的陶瓷均顯示出 BaN

圖 1-2 鈣鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)示意圖[13]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通訊的結(jié)合，系統(tǒng)中器件年加大�？蓪�(shí)用的高介微波陶瓷體系常見于 Ba6礦結(jié)構(gòu)陶瓷。但這并不意味著對高介微波陶瓷波器件功能的精細(xì)化，其對陶瓷產(chǎn)品對應(yīng)參數(shù)的而言，介電常數(shù)系列化，低損耗，工作頻率穩(wěn)定學(xué)角度而言，其性能變化的機(jī)理仍存有許多問題瓷展開研究具有十分重要的意義。內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀期的一些重要發(fā)現(xiàn)和理論報道，多數(shù)來自于國外業(yè)化研究均起步較早，積累了相對豐富的經(jīng)驗(yàn)，、中、高介電常數(shù)的微波陶瓷，并在此基礎(chǔ)上形瓷的理論研究較為知名的高�；蛘哐芯繖C(jī)構(gòu)

第一章 緒 論名企業(yè)，例如住友化學(xué)、Sakai 化學(xué)、NamTec、Morgan Electro Ceramics 和 Filtro田、京瓷、TDK、Rogers 和 Trans-Tech在蓬勃發(fā)展，例如潮州三環(huán)股份有限公華高科股份科技有限公式和佳利電子等一定的建樹，但相對于國外起步較晚，你微波陶瓷的研究和應(yīng)用工作。簡介振器介微波介質(zhì)陶瓷的一個重要應(yīng)用是介質(zhì)選擇性輸出頻率的器件。諧振器的基本原述[17]。
【參考文獻(xiàn)】

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1 李穎翔;Li-Zn-Ti系微波介質(zhì)陶瓷介電性能及低溫?zé)Y(jié)機(jī)理研究[D];電子科技大學(xué);2016年

2 李皓;MgO-TiO_2體系微波介質(zhì)陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化研究[D];電子科技大學(xué);2016年

3 余盛全;兩種Ti基微波介質(zhì)陶瓷的制備與性能研究[D];電子科技大學(xué);2013年

本文編號：2867334