论文部分内容阅读
氮化硅陶瓷材料由于具有良好的热稳定性、抗烧蚀性能等特点，在新一代高温透波材料领域有着巨大的应用潜力，己成为该领域科研和工业界的重要研究课题。然而，作为透波材料，本征氮化硅的介电常数偏高，不利于其在高温环境下的微波透过性。因此，需要通过对氮化硅陶瓷进行改性以提升其高温透波相关性能，掺杂异质元素是其中一种拓展其本征性能的重要手段。在氮化硅材料透波性质研究方面，科研人员在研究过程中发现在高温环境下氮化硅材料会发生氧化，此外还存在高温热辐射等问题，使得氮化硅材料高温环境下的性能测量效果通常不够理想，因此采用计算机模拟方法自然而然地成为了研究氮化硅材料高温改性的最佳手段。
本文以掺杂β-Si3N4的透波性能为研究对象，采用理论计算的方法从三个基本研究内容出发：一、探索适于高温氮化硅结构分子层面的模拟计算方法：二、寻找提升氮化硅透波材料综合性能的模拟方法；三、研究温度变化对氮化硅结构高温透波性能的影响。主要研究结果如下：
(1)采用基于第一性原理的数值计算方法，通过对计算策略和关键计算参数的系统测试，对氮化硅结构进行几何结构优化，计算了其基态条件下的电子结构、透波性质和弹性常数等基本参数。计算结果均与实验值有着较好的吻合度，表明本课题采用的计算方法及参数设置对所预测的掺杂β-Si3N4结构高温透波性能是正确可信的。
(2)采用B、O元素掺杂的方式改善氮化硅结构的透波性能。本文设计了7种掺杂模型，对各个结构进行了优化和性质计算，计算结果表明，B-O共掺结构更易形成稳定掺杂结构，并且能够提升氮化硅结构的透波性能和结构性能。其中B-O对位替位式共掺结构被认为是一种综合性能优异的氮化硅基Si-B-O-N透波材料体系。
(3)采用第一性原理分子动力学方法模拟了β-S13N4超晶胞结构和B-O对位替位式共掺结构在500—2000K温度条件下结构的性能变化，并计算了不同温度下各结构的透波相关性质。模拟结果表明，随着温度的升高，β-Si3N4超晶胞结构在1500K以上的温度条件下性能急剧下降，而B-O对位替位式掺杂结构则在此温条件下仍然保持较好的结构稳定和优异的透波性。
总之，本文以β-Si3N4结构高温透波性能提升为目的，进行了较为系统的动力学模拟计算，结构基态性质计算结果与实验值吻合度高，通过元素掺杂在理论上实现了氮化硅材料的透波性能调控和提升，同时高温条件下的计算结果表明掺杂体系能够有效提升氮化硅材料的高温透波性能。本文丰富了高温透波材料的研发方法，对计算材料科学应用于现代高温透波材料研发领域有着实际意义。
本文以掺杂β-Si3N4的透波性能为研究对象，采用理论计算的方法从三个基本研究内容出发：一、探索适于高温氮化硅结构分子层面的模拟计算方法：二、寻找提升氮化硅透波材料综合性能的模拟方法；三、研究温度变化对氮化硅结构高温透波性能的影响。主要研究结果如下：
(1)采用基于第一性原理的数值计算方法，通过对计算策略和关键计算参数的系统测试，对氮化硅结构进行几何结构优化，计算了其基态条件下的电子结构、透波性质和弹性常数等基本参数。计算结果均与实验值有着较好的吻合度，表明本课题采用的计算方法及参数设置对所预测的掺杂β-Si3N4结构高温透波性能是正确可信的。
(2)采用B、O元素掺杂的方式改善氮化硅结构的透波性能。本文设计了7种掺杂模型，对各个结构进行了优化和性质计算，计算结果表明，B-O共掺结构更易形成稳定掺杂结构，并且能够提升氮化硅结构的透波性能和结构性能。其中B-O对位替位式共掺结构被认为是一种综合性能优异的氮化硅基Si-B-O-N透波材料体系。
(3)采用第一性原理分子动力学方法模拟了β-S13N4超晶胞结构和B-O对位替位式共掺结构在500—2000K温度条件下结构的性能变化，并计算了不同温度下各结构的透波相关性质。模拟结果表明，随着温度的升高，β-Si3N4超晶胞结构在1500K以上的温度条件下性能急剧下降，而B-O对位替位式掺杂结构则在此温条件下仍然保持较好的结构稳定和优异的透波性。
总之，本文以β-Si3N4结构高温透波性能提升为目的，进行了较为系统的动力学模拟计算，结构基态性质计算结果与实验值吻合度高，通过元素掺杂在理论上实现了氮化硅材料的透波性能调控和提升，同时高温条件下的计算结果表明掺杂体系能够有效提升氮化硅材料的高温透波性能。本文丰富了高温透波材料的研发方法，对计算材料科学应用于现代高温透波材料研发领域有着实际意义。