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高温透波介质h-BN陶瓷介电性能建模研究

陈小林  
【摘要】:在国际电工学科领域,电介质材料介电性能的研究一直倍受科学家们的关注,它既是基础课题又是前沿课题。近年来随着航天工业的发展,六方氮化硼(h-BN)陶瓷作为重要的透波材料在航空航天领域得到了广泛应用。材料的透波性能与其介电性能有着密切的关系,但由于极端高温下的介电性能测量十分困难,特别是高温(1200°C)高频(1GHz~20GHz)的介电性能试验国内外尚无手段,无法直接得到该材料在使用温度和频率下的介电性能,因此h-BN陶瓷在极端高温、高频条件下介电性能的理论研究成为各国科学家研究的热点。本文从电介质物理基本理论出发,在研究h-BN陶瓷的极化机制和电导特性的基础上,充分考虑有效电场和高温电导损耗的影响,修正了经典的复介电性能计算方法,建立适用于h-BN陶瓷的复介电性能模型,并充分利用现有实验手段对计算模型进行了验证,进而从工程实际出发研究了h-BN陶瓷混合相介电特性及其随温度频率的变化规律。研究成果对于深入认识h-BN陶瓷的介电性能,预测h-BN陶瓷在高温高频下的介电性能,以及指导h-BN陶瓷作为透波介质的使用具有重要意义。 针对h-BN晶体的结构,本文对传统的电子位移极化率计算模型进行了修正,提出了一种非对称双原子分子的计算模型,该模型考虑了分子内原子之间的相互影响,比经典的基于孤立原子的模型和对称双原子分子模型更加适合于计算h-BN的电子位移极化率;利用分子模拟技术计算了h-BN晶体的电子密度与差分电子密度,证明了h-BN晶体中存在着离子键,推导出共价晶体中包含离子键的离子位移极化率计算公式,首次计算了h-BN晶体马德隆常数、排斥能指数和离子位移极化率;研究了h-BN陶瓷在高温下的热离子极化和转向极化情况。对h-BN晶体和陶瓷的极化特性的研究,为认识其介电特性及其随温度、频率的变化规律奠定了基础。 通过研究发现,由于经典的复介电常数计算模型没有考虑有效电场和高温电导损耗的影响,不适合于h-BN陶瓷介电性能计算;通过对Lorentz有效电场和Onsager有效电场对h-BN陶瓷适用性的研究,发现经典有效电场计算方法不适用于h-BN陶瓷;探索了电子云重叠与渗透效应修正有效电场的方法,但该方法得到的修正因子难以确定。为此在h-BN陶瓷极化机制研究的基础上,根据h-BN陶瓷的微观结构,计算邻近极化粒子产生的局部电场,进而得到h-BN陶瓷的有效电场,并考虑电导损耗的影响,建立了h-BN陶瓷复介电常数计算模型,该模型对于指导h-BN陶瓷在不同温度、频率下的应用具有重要价值。 针对h-BN陶瓷的特殊特性,利用实验和计算的方法确定其复介电性能计算模型中关键参数,首次将分子模拟技术与材料介电性能研究相结合,利用分子模拟技术计算了h-BN陶瓷中典型缺陷的形成能,得到了计算高温电导损耗的关键参数。基于现有的温度频率协同作用下的实验条件,对h-BN陶瓷复介电常数计算模型进行了实验验证工作,并对h-BN陶瓷高温介电谱进行了分析,得到了h-BN陶瓷的高温弛豫特性。 针对实际使用的h-BN复合/混合陶瓷中弥散相的结构特点,提出了一种弥散体为球状、体积随机分布的两相体介电性能计算模型,通过蒙特卡罗方法实现了弥散球体半径的随机分布,并利用幂指数变换建立随机数与半径之间的对应关系,实现了不同的弥散相体积比下两相体等效介电常数的计算。该模型模拟了实际的两相体复合/混合陶瓷中弥散相颗粒尺度的非均一性,更符合实际的两相体陶瓷的结构特点。利用该模型研究了工程实际使用的h-BN陶瓷中气隙、氧化硼对陶瓷介电性能的影响,对于指导工程中h-BN陶瓷的使用具有重要意义。


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