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文檔簡介
1、微波介質(zhì)陶瓷作為一種新型信息功能陶瓷在微波通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,經(jīng)過近70年的研究與發(fā)展,目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)功能陶瓷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。B位復(fù)合鈣鈦礦型微波介質(zhì)陶瓷是各種微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中最受矚目的體系,通過對(duì)其B位進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜〈鷵诫s,可以對(duì)其性能進(jìn)行調(diào)節(jié)從而獲得理想的微波介質(zhì)陶瓷。然而,同其它微波介質(zhì)陶瓷體系一樣,其介電機(jī)理的研究還很有限,結(jié)構(gòu)變化和元素取代對(duì)其性能的影響規(guī)律還只停留在實(shí)驗(yàn)嘗試、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的階段。
2、> 本文選擇Ca基復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)陶瓷為對(duì)象,通過第一性原理計(jì)算,在鍵振動(dòng)這一層次,對(duì)結(jié)構(gòu)畸變、元素取代、有序性以及缺陷四個(gè)方面對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究,分析相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)變化對(duì)介電性能的影響,并以實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果及理論分析進(jìn)行驗(yàn)證分析,對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)與介電性能之間的關(guān)系進(jìn)行了初步探討。主要研究內(nèi)容如下:
利用材料計(jì)算所具有的優(yōu)勢(shì),建立了不同BO6八面體扭轉(zhuǎn)角度CaTiO3模型并進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)普通
3、實(shí)驗(yàn)手段無法實(shí)現(xiàn)的八面體扭轉(zhuǎn)對(duì)CaTiO3介電性能研究。結(jié)果表明由于Jahn-Teller效應(yīng),扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致能級(jí)分裂,從而產(chǎn)生了新鍵并增強(qiáng)共價(jià)性,有助于提高材料介電性能。
以B位復(fù)合的Ca(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷為對(duì)象,分別建立了單純?cè)厝〈约敖Y(jié)構(gòu)有序Ca(Zn1/3Nb2/3)O3模型,對(duì)其進(jìn)行計(jì)算模擬。計(jì)算結(jié)果表明,如Nb之類具有空價(jià)電層d軌道的元素,易與O之間形成高共價(jià)性的d-p鍵,其取代將改善材料介電性能,相
4、應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與該預(yù)測(cè)相吻合。而當(dāng)B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的B位離子以有序形式排列時(shí),由于不同類型BO6八面體層的八面體尺寸差異,將產(chǎn)生新的共價(jià)鍵,從而提高了材料的介電性能。
為研究不同B位離子的有序化能力,以B位1:l的Ca(Fe1/2Nb1/2)O3和Ca(Al1/2Nb1/2)O3復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷為對(duì)象,分別建立了有序和無序結(jié)構(gòu)晶體模型,并進(jìn)行了自由能及電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。結(jié)果表明B'離子與Nb離子尺寸差異越大,且不具d軌道或
5、d軌道滿排的元素,越易于形成有序結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。這說明結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和元素上的優(yōu)化難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。對(duì)Ca(Fe1/2Nb1/2)O3的研究表明,Ca-O高能級(jí)新鍵的形成增大了體系自由能,降低了穩(wěn)定性,這是具有d空軌B'元素不易有序化的原因,因此可以通過A位摻雜,來消除這種不利影響,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與元素的同時(shí)優(yōu)化。
對(duì)兩種不同位置氧缺位的CaTiO2.875超晶胞缺陷模型以及同樣大小的理想CaTiO3超晶胞的計(jì)算比較研究
6、表明,氧空位破壞了八面體結(jié)構(gòu),使得Ti與O在導(dǎo)帶底形成了一個(gè)新的能級(jí)成鍵,這會(huì)增大體系的電導(dǎo)率,從而降低介電性能。但另一方面,O1類氧原子的缺位,會(huì)改善體系的有序性,在一定程度上對(duì)材料介電性能起到改善作用。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都發(fā)現(xiàn),這些氧空位的本征缺陷作用在實(shí)際材料中的影響十分有限,實(shí)際中氧空位主要通過引入空間電荷這一非本征效應(yīng)影響材料的性能。因此可以通過晶界摻雜改性的方式,消除其不利的非本征影響,保留其有利方面,實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)材料
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