BMN系钙钛矿微波介质陶瓷的制备与性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1 引言

微波介质材料是近30年来迅速发展起来的新型功能电子陶瓷,它具有损耗低、频率温度系数小、介电常数高等特点。^[1]微波介质陶瓷是指应用于微波频段(主要是300MHz一30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷,是现代通信广泛使用的谐振器、滤波器、介质导波回路等微波元器件的关键材料。现代移动通信、无线局域网、全球卫星定位系统等技术的革新,对以微波介质陶瓷为基础的微波电路器件提出了更高的要求,各种微型化、高频化、片式化、模块化的新型微波介质陶瓷器件及相关介质陶瓷得到迅速发展。

钙钛矿结构的微波介质陶瓷具有介电系数大、损耗小和谐振频率温度系数接近于零等特点。

2 微波介电陶瓷国内外研究现状

70年代初美国的Byran等首先研制成介电常数为38的BaTi₄O₉材料。接着美国Bell实验室研制成功了温度稳定性好的Ba₂Ti₉O₂₀,实现了介质谐振器的实用化,于是以TiO₂为起点,揭开了微波介质陶瓷发展史的帷幕。^[2]

目前日本在实用化方面做的工作最多，美国、欧洲也不断有微波介质陶瓷的研究报告发表。我国从八十年代开始研制微波介质陶瓷，从最初的简单重复国外的研究结果，到九十年代追踪国外的体系研究，之后国家八五、九五都把微波介质材料的研究列入重点攻关课题，拥有科研实力和先进测试设备的电子科技大学和浙江大学都取得初步成果。

现代移动通信经过数字移动通信系统(GSM)、个人数字蜂窝系统(PDC)为代表的第二代通讯技术的发展,已经向码分多址(CDMA)、第三代移动通信更新换代。同时,随着近距离无线通信技术蓝牙技术的深人研究和发展,无线局域网(WLAN)技术迅速发展起来。^[3][4]目前,国际上已经开通了5.8GHz频段,并将取代工作于24GHz频段的蓝牙产品。移动通信设备和便携式终端正趋向小型、轻量、薄型、高频、低功耗、多功能、高性能发展,这对为微波介质陶瓷为基础的微波电路元器件提出了更高的要求。现在各种微型化、复合化、高频化、片式化、模块化的新型微波介质元器件应运而生,与新型元器件相关的微波介质陶瓷也取得了迅速发展,并朝着高介、高频、低温烧结等方面发展。^[5]

可以根据相对介电常数ε_r的大小与使用频段的不同，将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为低ε_r、高Q 值的 MWDC，中等ε_r和Q 值的 MWDC 及高ε_r而Q 值相对较低的 MWDC 三类，它们的产生、发展、应用领域和存在的问题是各不相同的。

3 钙钛矿微波介电陶瓷的结构特征

钙钛矿结构是以俄罗斯地质学家 Perovski 的名字命名的，本是指钛酸钙的结构，钙钛矿最早被地球物理学家所注意，现在发现很多重要的介电晶体都具有这样的结构，它的电气性能覆盖铁电体、顺电体、压电体、反铁电体、绝缘体、半导体、快离子导体、金属导体和超导体，吸引着众多的物理学家和电子工作者。^[7]

微波介质陶瓷可以做成高Q值谐振器,若按设计要求将若干谐振器藕合在一起,就可制成一系列微波器件,如:振荡器、滤波器、双工器、夭线等。这类器件的特点是体积小、损耗低、稳定好、承受功率高、可在恶劣条件下工作,最高应用频率可达卯GHz,不仅在民用中广泛应用,而且在军用通信中受到重视。

钙钛矿结构陶瓷是陶瓷中具有比较优秀性能的一类陶瓷。钙钛矿结构陶瓷通式 ABO₃（也有非氧化物构成钙钛矿结构),其中 A的价态可以为 2、 1 价；B 的价态可以为 4、 5 价，钙钛矿结构可以用简立方晶格来描述，如图1所示，每个格点代表一个结构基元。从结晶学的划分方法划分的原胞是顶角为 A 离子占据，体心为 B 离子占据，六个面心由 O 离子占据。另外我们可以看出，如果把面心上的氧离子连接起来，它们构成等边三角形。整个原胞共有 8 个这样的三角形面，围成一个八面体，称为氧八面体。B 离子位于其中，整个晶体可以看成是氧八面体共顶点连接而成，各氧八面体围成空隙的中心由 A离子占据。此时若取 B 为顶点的立方体，则 A 离子位于体心，而氧离子位于边长的中央，但此时的立方体不是结晶学的原胞。如图 2 所示，A 和 B 的配位数分别为12 和 6。 ^[8][9]

图1 钙钛矿结构结晶学原胞

图2 钙钛矿结构晶胞、氧八面体、离子组成结构示意图

4 微波介电陶瓷的发展趋势

目前，微波陶瓷材料的研究已形成系列化、产品化的态势，制作方法也向高效能、多样化和环保等方面迈进，微波测试技术的进步也为材料的研究增姿添色，微波陶瓷材料的研究迫切需要理论支持，迫切需要建立高频下适用的、完整的电介质理论体系。^[6]相比微波介质陶瓷其他方面的研究工作，理论研究显得尤为不足，目前的理论研究大多针对某个具体配方的材料，通过成分和结构分析得出性能产生的可能机理，并推而广之应用在其他材料性能解释方面，对材料预测，材料性能模拟无疑是没有帮助的。

微波介质陶瓷及器件经历多年的发展，在国外已被深入研究和大量应用，但是，主要技术还是掌握在少数几个大公司的手里。国内拥有自主知识产权的材料体系和器件还比较少，产业规模不大。因此，国内必须在以下方面大力发展：(1) 寻找新的烧结材料体体系及烧结助剂；(2) 探讨烧结助剂与基体材料的相溶性及降温机制；(3) LTCC 微波陶瓷 εr，Q f 和 τf三者之间性能协调与可控研究；(4) LTCC 微波介质陶瓷工程应用技术研究；(5) 片式多层微波器件仿真设计技术；(6)片式多层微波器件测试技术。^[10]

此外，应将材料研究、器件设计及制造技术统一起来，这对国内微波器件企业和研究机构尤为重要。随着信息技术发展要求高速数据和高电流密度传输，片式多层微波器件将向小型化、集成化方向发展，研究纳米 LTCC 微波陶瓷制备及分散技术、超薄陶瓷薄膜成型技术、异种LTCC 微波材料共烧、LTCC 微波模块设计和制造技术，开发出小型片式多层微波器件、微波组件(滤波器天线、天线平衡不平衡转转器等)以及片式多层微波集成模块是今后发展重点。 ^[11][12]

微波陶瓷今后的发展趋势可概括为:在理论上有所突破,加强对微波介质极化、介质损耗机理的研究,弄清微观结构如晶体结构、缺陷、晶粒尺寸、玻璃相和气孔等对材料微波性能的影响;工艺上采用新的技术如化学共沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、特种成型和烧结技术,提高材料的介电性能。采用复合效应将不同系列的低介微波材料进行复合,实现10GHz以上高频段微波材料的商业化应用。

5 结束语

现代信息技术的发展对微波介质陶瓷及器件提出了更高的要求,不断探索甚高频(10一80GHz)、更高介电常数(120)、低温烧结微波介质陶瓷新体系,开发出高频、微型、集成化的新型片式元器件是今后的发展趋势。

参考文献：

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1本论文要求完成的工作

1.查阅与本课题相关的最新的研究内容；

2.研究添加掺杂剂对bmn系微波介质陶瓷的影响。