非化学计量ABO4 (A=Ba, Sr, Ca；B=W, Mo) 系白钨矿微波陶瓷的介电响应机制与结构-性能关系研究

Previous studies show that the slight change of stoichiometric-ratio of microwave ceramics has a significant impact on the dielectric properties. At present, there is no major breakthrough in the accurate prediction of dielectric properties of microwave ceramics. Studying the dielectric response mechanism of microwave ceramics is helpful to explain and predict their dielectric properties. In this project, non-stoichiometric microwave ceramics of ABO4 (A=Ba, Sr, Ca；B=W, Mo) -type with the scheelite structure will be the research objects, aiming to study the dielectric response mechanism when the ions on the A-/B- sits deviate from stoichiometric point, and to establish the structure-property relationship using phone modes as a media. XAFS spectra and FEM morphology analysis will be comprehensively used to obtain the local crystal structure condition. UV-VIS spectra will be applied to obtain the band gap Eg so as to analyze the relationship between the degree of order and the dielectric loss. Raman spectroscopy and far-infrared spectroscopy combined with the first-principle calculation will be applied to study the ceramic’s phone characteristics, to fit and to calculate the intrinsic properties. Refering to the XRD refinement results, the crystal structure parameters will be obtained. The contribution of different atomic vibrations on the dielectric properties will be analyzed so as to obtain the origin and influence factors of three parameters of dielectric properties from the atomic/molecular level. All in all, this project can obtain an important guide for the coordinated modification of microwave ceramics, and help to guide the design of the new kinds of microwave ceramics from the height of material science.

研究表明，微波陶瓷化学计量比的轻微改变会对介电性能产生显著影响。目前关于微波陶瓷介电性能的精确预测尚没有重大突破，研究其介电响应机制有利于从本质上解释和预测介电性能。本项目拟以非化学计量ABO4（A=Ba, Sr, Ca；B=W, Mo）系白钨矿微波陶瓷为研究对象，分析体系组分裁剪后的介电响应机制，以声子模式为媒介构建其结构-性能关系。综合利用XAFS谱和FEM技术获得样品局部微结构状况，利用UV-VIS谱获取体系的带隙Eg，分析其与有序度及损耗的关系；采用Raman和红外光谱，结合第一性原理计算研究材料的声子特性并拟合计算其本征性质；参考XRD精修获得材料的晶体结构参数，分析不同原子振动对介电性能的贡献，从原子/分子层面研究介电性能三参数的本源及影响因素。总之，本项目可获得组分裁剪对微波陶瓷材料进行协调改性的重要指南，便于从材料科学的高度指导微波陶瓷新体系的设计工作。

探索介电常数、品质因数以及谐振频率温度系数这三个参数的本源及影响因素，便于从原子/分子层面阐释材料介电性能的物理机理；而介电常数、品质因数和温度系数三者的协调改性一直是微波陶瓷研究的重点。故而，内禀性质和构效关系是微波陶瓷研究的焦点和基础科学问题，对二者剖析及诠释的不足严重阻碍了对新材料的设计和研发。本项目利用拉曼和红外光谱技术，以第一性原理结合群论对白钨矿、黑钨矿以及橄榄石等多种结构微波陶瓷的晶格振动（声子）模式进行精准指认和描述，深入剖析了材料的声子特性、本征性质、介电响应机制等内禀性质和结构/性能的协调优化等共性与基础性的关键科学问题，实现了对介电性能三参数的协调改性。即，本项目从新型微波陶瓷基础理论到材料改性等方面都取得了创新性研究成果。通过改变白钨矿结构微波陶瓷的组分，使其成为非化学计量并加入TiO2和LiF等对陶瓷进行改性研究，提高了材料的品质因数，改善了谐振频率温度系数到零附近。系统研究了低温共烧陶瓷的低温烧结机理以及介质陶瓷与银电极的界面反应机制等科学问题，含共烧兼容性及界面反应特性，研发出系列新型超低温烧结微波陶瓷，其烧结温度远低于常规意义的900℃；在LTCC领域具有很高的应用价值。项目执行期间，本项目主持人以第一或通讯作者发表SCI论文26篇；独立发明人授权国家发明专利7件。获得2021年度青岛市科技进步二等奖1项，中国材料研究学会科学技术一等奖2项和中国商业联合会科学技术一等奖1项；本项目主持人都排第一位。白钨矿结构材料是一类潜力巨大的LTCC微波陶瓷，具有小的介电常数和高的品质因数，可广泛应用于微波基板、支撑件、介质波导衬底等领域。本项目可以提供非化学计量ABO4系白钨矿微波陶瓷的基础数据，可丰富材料基因组数据库。另外，本项目可加深人们对于非化学计量微波陶瓷介电响应机制的认识，深入揭示晶体结构与性能的内在关系，从材料科学的高度指导微波介质材料的改性工作。