本文關(guān)鍵詞：陶瓷介質(zhì)微波性能的第一性原理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,隨著通信技術(shù)(雷達、移動通信等)的不斷發(fā)展,通信設(shè)備已經(jīng)逐漸向高能、輕便化發(fā)展,微波通訊的研究與發(fā)展已然成為通訊技術(shù)發(fā)展的重點之一。這就要求微波材料,尤其是微波介質(zhì)陶瓷材料應(yīng)具有良好的微波介電性能：品質(zhì)因數(shù)高、介電常數(shù)適中、諧振頻率溫度系數(shù)近零等。然而對于微波介質(zhì)陶瓷材料而言,大多情況下微波介電性能雖良好,但陶瓷的燒結(jié)溫度過高,無法滿足LTCC技術(shù)的要求。因此,有必要在現(xiàn)有材料體系基礎(chǔ)上,探討低溫?zé)Y(jié)工藝、微觀組織結(jié)構(gòu),以及本征因素對燒結(jié)特性和微波介電性能的影響。本項目采用理論與實驗相結(jié)合的方式,探討了本征因素與非本征因素對陶瓷微波性能的影響。通過第一性原理計算,得到了AW04(A=Ca,Ba).Mg2Ti04. Mg2SiO4陶瓷介質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)、結(jié)合能、態(tài)密度以及Mulliken布居,成功地解釋了前期實驗中觀測到的AW04高能球磨過程中的晶化現(xiàn)象,解決了實驗中制備工藝的“盲試”問題。同時,基于理論計算的結(jié)果,系統(tǒng)研究了高能球磨及低溫?zé)Y(jié)法制備陶瓷微波介電性能。主要研究成果有：(一)CaWO4與BaWO4的結(jié)合能分別為-41.3 eV和-45.1 eV,因此通過高能球磨法在極短時間內(nèi)(30 min)成功制備出AWO4(A=Ca,Ba)單相粉體。AW04(A=Ca,Ba)材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、Mulliken布居的計算結(jié)果表明：AW04(A=Ca,Ba)的02p和W5d軌道對費米能級附近的價帶頂部與導(dǎo)帶底部有大量貢獻,再考慮到Mulliken布居的特征,揭示了W-O鍵為共價鍵。該共價鍵強大相互作用為品質(zhì)因數(shù)Q×f做出主要貢獻。另外,理論計算得到CaW04的介電常數(shù)為11.2,BaW04的為9.3；相應(yīng)的諧振頻率溫度系數(shù)f(theo) CaWO4=-34ppm/°C, τf(theo) BaWO4=-42ppm/°C。實驗上ACO3-WO3經(jīng)過30 h球磨后,成功細化得到110～120nm的納米粉體,在900-10000C下低溫制備出高致密度的單相陶瓷,且具有較好的微波介電性能。理論結(jié)果與實驗所測結(jié)果基本一致。(二)計算得到Mg2Ti04的結(jié)合能為-53.8 eV,預(yù)計不能僅通過高能球磨完全合成Mg2Ti04純相。Mg2,Ti04理論介電常數(shù)εtheo=14.4,與實驗測得εr=13.9相比基本一致。能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度的計算發(fā)現(xiàn),在費米能級附近的價帶頂部與導(dǎo)帶底部附近態(tài)密度的主要貢獻為02p軌道和Ti3d軌道,表明Ti-O為共價鍵。與貢獻極小的Mg3s軌道相比,Ti-O鍵的共價相互作用比Mg-O離子鍵作用強很多。在Mg2Ti04的中Ti-O共價鍵強大的共價相互作用為品質(zhì)因數(shù)Q×f做出了主要貢獻。實驗上成功制備了單相Mg2Ti04陶瓷,結(jié)構(gòu)致密,微波介電性能良好,與理論結(jié)果基本相符。(三)通過第一性原理計算所得Mg2SiO4材料的結(jié)合能偏高為-75.3 eV。Mg2Si04的態(tài)密度中,費米能級附近的價帶頂部與導(dǎo)帶底部附近的態(tài)密度主要貢獻為軌道02p和Si3p。該兩軌道較大的貢獻表明Si-O為共價鍵。從PDOS峰的強度來看,Si 3p軌道的峰值強度遠高于Mg 3s軌道,這意味著Si-O鍵的共價相互作用遠大于Mg-O離子鍵作用。因此,在Mg2Si04的微波介電性能中Si-O鍵強大的共價相互作用為品質(zhì)因數(shù)Q×f做出了主要貢獻。實驗制備的單相Mg2Si04陶瓷,結(jié)構(gòu)致密,且具有良好的微波介電性能。測量得到Mg2Si04的Q×f高達193,800 GHz,這正好印證了共價鍵的貢獻。
【關(guān)鍵詞】：微波介質(zhì)陶瓷 結(jié)合能 第一性原理 態(tài)密度 介電性能
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-30
• 1.1 微波介質(zhì)陶瓷簡介10-16
• 1.1.1 微波介質(zhì)陶瓷的分類及發(fā)展11-15
• 1.1.2 微波陶瓷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢15-16
• 1.2 低溫共燒技術(shù)16-19
• 1.2.1 LTCC技術(shù)簡介16-17
• 1.2.2 低溫?zé)Y(jié)途徑17-19
• 1.3 論文的理論依據(jù)19-27
• 1.3.1 第一性原理19-20
• 1.3.2 介電性能相關(guān)理論20-27
• 1.4 本文的研究目的及意義27-28
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容28-30
• 第2章 理論基礎(chǔ)與實驗設(shè)計30-48
• 2.1 理論基礎(chǔ)30-35
• 2.1.1 絕熱近似與單電子近似30-32
• 2.1.2 密度泛函理論32-34
• 2.1.3 交換相關(guān)泛函34-35
• 2.1.4 贗勢35
• 2.2 CASTEP計算軟件包35-36
• 2.3 高能球磨工藝36-42
• 2.3.1 高能球磨的合金化機理37-38
• 2.3.2 工作機理及影響因素38-42
• 2.4 實驗設(shè)計42-48
• 第3章 AWO_4(A=Ca,Ba)陶瓷介質(zhì)微波性能的第一性原理計算48-72
• 3.1 引言48-50
• 3.2 模型建立與實驗方法50-52
• 3.2.1 模型建立及計算方法50
• 3.2.2 實驗過程50-52
• 3.3 結(jié)果與討論52-70
• 3.3.1 幾何優(yōu)化與結(jié)合能52-54
• 3.3.2 能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度與Mulliken布居54-59
• 3.3.3 介電性能理論計算59-60
• 3.3.4 實驗測試與表征60-70
• 3.4 本章小結(jié)70-72
• 第4章 Mg_2TiO_4微波陶瓷材料介電性能的第一性原理計算72-90
• 4.1 引言72-73
• 4.2 模型建立與實驗過程73-74
• 4.2.1 模型建立73-74
• 4.2.2 實驗設(shè)計74
• 4.3 結(jié)果與討論74-87
• 4.3.1 第一性原理計算74-77
• 4.3.2 物相組成及微觀表征77-85
• 4.3.3 性能測試85-87
• 4.4 本章小結(jié)87-90
• 第5章 Mg_SiO_4陶瓷微波介電性能的第一性原理計算與測試90-108
• 5.1 前言90-91
• 5.2 理論計算與實驗設(shè)計91-92
• 5.2.1 理論計算91-92
• 5.2.2 實驗過程92
• 5.3 結(jié)果與討論92-105
• 5.3.1 結(jié)合能與性能計算92-96
• 5.3.2 微觀表征96-103
• 5.3.3 微波介電性能的測試103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-108
• 第6章 結(jié)論108-110
• 參考文獻110-122
• 致謝122-124
• 攻讀博士學(xué)位期間的研究成果124

  本文關(guān)鍵詞：陶瓷介質(zhì)微波性能的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：290490