隨著無(wú)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_(tái)r)~(1/2)的材料中傳播時(shí),其等效波長(zhǎng)為λ/n。器件尺寸要和等效波長(zhǎng)相當(dāng),故器件尺寸的小型化可以通過(guò)采用高介電常數(shù)ε_(tái)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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)或計(jì)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(duì)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(jì)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(duì)于微波頻段下電導(dǎo)損耗較高的陶瓷,通過(guò)不等價(jià)離子取代證實(shí)了品質(zhì)因數(shù)和對(duì)于微波頻段下電導(dǎo)損耗的關(guān)系:？~(-1)=？/(？？);2)對(duì)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(jì)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(guò)程,具體研究?jī)?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(shí),tan？≈？/(？？),并據(jù)此設(shè)計(jì)了通過(guò)不等價(jià)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(jià)態(tài)差為標(biāo)準(zhǔn),篩選出針對(duì)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(guò)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(jià)Al~(3+)取代,研究了該離子取代對(duì)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(cè)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(shí)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(duì)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(shí)時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的微波性能:？_？=73,？？=13000GHz,？_？=+5ppm/℃。3、通過(guò)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(shí)微波介電性能變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)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(shí),陶瓷較易發(fā)生鈦還原,通過(guò)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(shí),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(duì)其微波介電性能的影響。通過(guò)XRD分析和精修,證實(shí)了離子取代。根據(jù)XPS檢測(cè),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(duì)陶瓷微波介電性能的影響。在1400℃保溫?zé)Y(jié)2小時(shí),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(duì)單獨(dú)的Al~(3+)取代會(huì)導(dǎo)致Ba_(3.75)Nd_(9.5)Ti_(18)O_(54)介電常數(shù)偏低的問(wèn)題,根據(jù)Goldschmidt準(zhǔn)則,通過(guò)引入高離子極化率的Nb~(5+)與Al~(3+)同時(shí)取代,維持了陶瓷較高的介電常數(shù)。通過(guò)XRD檢測(cè)和精修,證實(shí)了離子取代。通過(guò)對(duì)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(shí)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(wèn)題,同時(shí)為了驗(yàn)證Goldschmidt準(zhǔn)則對(duì)于離子價(jià)態(tài)差大于1時(shí)取代量會(huì)較低的預(yù)測(cè),在該陶瓷中引入了(Mg_(1/3)Nb_(2/3))~(4+)取代。通過(guò)XRD檢測(cè)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(jià)態(tài)相差大于1時(shí),相對(duì)于Al~(3+)取代,其取代量較低僅約0.028。并討論了第二相對(duì)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(shí)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(guò)XPS檢測(cè),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(shí)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(shí),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(jià)Bi~(3+)離子取代時(shí),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(cè)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(shì)。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(shí),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(cè)。根據(jù)Harmonic Oscillator模型,在微波頻段下,對(duì)于一個(gè)給定的材料,其品質(zhì)因數(shù)僅受諧振頻率控制。對(duì)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(jì)算公式,可以準(zhǔn)確地計(jì)算兩相復(fù)合過(guò)程中陶瓷品質(zhì)因數(shù)的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)對(duì)比該公式的計(jì)算結(jié)果和已有報(bào)道的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其不但可以成功預(yù)測(cè)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(jià)離子取代的情況。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(shí)，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(bào)道了 BaNd2Ti3O10，BaNd2Ti5O14陶瓷的介981 年 Razgon 等首次報(bào)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(shuō)明二者只有一個(gè)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(wú)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(jiàn)于 Ba6礦結(jié)構(gòu)陶瓷。但這并不意味著對(duì)高介微波陶瓷波器件功能的精細(xì)化，其對(duì)陶瓷產(chǎn)品對(duì)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(wèn)題瓷展開(kāi)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(bào)道，多數(shù)來(lái)自于國(guó)外業(yè)化研究均起步較早，積累了相對(duì)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(shù)，但相對(duì)于國(guó)外起步較晚，你微波陶瓷的研究和應(yīng)用工作。簡(jiǎn)介振器介微波介質(zhì)陶瓷的一個(gè)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)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

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(hào)：2867334