P-V-L理论及晶格振动模式在ZnO-Nb2O5-TiO2系微波介质陶瓷相变演化及性能调控中的应用基础研究

The present proposal focused on the regulation of structure and property of ZnO-Nb2O5-TiO2 based microwave dielectric ceramics. Adjusting the ratio of ZnO-Nb2O5-TiO2, obtain the ceramics with different phases of rutile, ixiolite, columbite and composite of rutile and ixiolite. The crystal structure, phase trasition and their relevance in these systems will be investigated. Using the complex chemical bond theory ( P-V-L theory) and combining the results of Raman spectra and Far-infrared-THz spectra, establish the relationship between the lattice vibration mode/chemical bond and the microwave dielectric properties. The theoretical results will be benefit to explore high property microwave dielectric ceramics with series microwave dielectric permittivities. And the low temperature sintering of ZnO-Nb2O5-TiO2 ceramics will also be investigated in detail.

项目围绕ZnO-Nb2O5-TiO2微波介质陶瓷的结构/性能调控展开系统性科学研究，通过调节ZnO-Nb2O5-TiO2三者比例，分别获得高介金红石相、中介锰钽矿相、铌铁矿及金红石相和锰钽矿相两相复合材料，研究晶体相结构稳定区间及晶体结构之间的关联性及演化关系；通过P-V-L理论计算，结合Raman、远红外-THz光谱测试结果，建立晶格振动模式以及化学键的振动对介电常数及介质损耗的贡献关系，为离子掺杂改性给出理论指导依据；在理论指导下，结合克劳修斯莫索地方程开展离子掺杂改性实验，与光谱测试及化学键理论分析相结合，从晶体学角度确定影响微波介电性能变化的本征来源，提出合理的理论模型揭示陶瓷的极化机制；最终结合蒙特卡洛及有限元思想，通过两相复合获得从中介到高介区域覆盖的不同介电性能的ZnO-Nb2O5-TiO2系微波介质陶瓷，并进行降烧，拓宽其LTCC应用。

项目围绕ZnO-Nb2O5-TiO2微波介质陶瓷的结构/性能调控展开了系统性科学研究，通过调节ZnO-Nb2O5-TiO2三者比例，分别获得了高介金红石相、中介锰钽矿相、铌铁矿及金红石相和锰钽矿相两相复合材料，研究了晶体相结构稳定区间及晶体结构之间的关联性及演化关系；利用 P-V-L 复杂化学键理论，深入研究了高介金红石相（rutile）及中介锰钽矿相（ixiolite）、铌铁矿相（columbite）中化学键的离子性、晶格能、键能、电极化率、热膨胀系数等的变化，建立了化学键性质与微波介电性能之间的联系；通过P-V-L理论计算，结合 XRD 数据的 Rietveld 精修、以及 Raman 光谱、远红外-THz 光谱测试，对样品的振动模式进行具体分类，明确晶体结构中化学键的键长、键价、氧多面体畸变的变化，以及不同化学键的振动对介电及介质损耗的贡献，建立了晶格振动模式以及化学键的振动对介电常数及介质损耗的贡献关系；在理论指导下对样品进行掺杂改性或两相复合，结合克劳修斯莫索地方程开展离子掺杂改性实验，通过两相复合获得了从中介到高介区域覆盖的不同介电性能的ZnO-Nb2O5-TiO2系微波介质陶瓷，调节样品的温度稳定系数同时保持较高的微波介电性能，并通过烧结收缩率、液相与陶瓷基料的浸润性、与金属电极共烧兼容性等方面建立低温烧结理论模型，拓展了其在 LTCC 领域中的应用。