隨著移動(dòng)通信需求的迅猛增長，無線通信技術(shù)逐漸向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展。作為現(xiàn)代無線技術(shù)的推動(dòng)者，微波陶瓷以其優(yōu)異的介電性能，已成為促進(jìn)無線設(shè)備小型化和集成化的基本組成部分。在眾多微波陶瓷體系中，Mg2TiO4基微波陶瓷憑借其優(yōu)異的介電性能（介電常數(shù)：14，品質(zhì)因數(shù)：150,000 GHz），已被廣泛應(yīng)用于諧振器和濾波器等無線通訊領(lǐng)域。然而，隨著毫米波通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的性能要求也日益嚴(yán)苛：器件需實(shí)現(xiàn)體積小型化、功能集成化以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜化等。但由于微波陶瓷材料本身固有的硬度和脆性等特性，極大程度的限制了其在復(fù)雜精密形狀構(gòu)件中的加工可行性與制備可靠性。

近期，河北工業(yè)大學(xué)程立金老師及國家納米科學(xué)中心劉飛博士后通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)(microArch® S240，精度：10 μm)成功制備了高性能的Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3（MT-CST）微波陶瓷，并設(shè)計(jì)制備了復(fù)雜形狀陶瓷濾波器，實(shí)測中心頻率為3.81 GHz，帶寬為200 MHz，插入損耗為-1.3 dB，驗(yàn)證了光固化成形MT-CST陶瓷在高頻器件中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)該研究為3D打印功能陶瓷的商業(yè)化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Fabrication of high-performance Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3 microwave ceramic filters by heated-assisted digital light processing"為題發(fā)表在《Journal of Alloy and Compounds》期刊上。

首先，作者通過傳統(tǒng)固相合成法制備出平均粒徑為400納米的MT-CST微波陶瓷粉末。通過調(diào)控溫度，改善陶瓷漿料的粘度和流變行為，研究發(fā)現(xiàn)溫度為65 ℃時(shí)，固相含量為57.5 vol%的BZN陶瓷漿料具有較低的粘度和剪切變稀的流變行為。

圖1. 溫度對(duì)陶瓷漿料粘度和流變行為的影響。

同時(shí)，本研究系統(tǒng)探討了固化溫度對(duì)陶瓷漿料固化速率和固化厚度的影響機(jī)制。結(jié)果表明，隨著固化溫度的增加，陶瓷漿料固化速率和固化厚度隨之增加。固化溫度的提高，一方面顯著降低了陶瓷漿料的粘度，促進(jìn)其流動(dòng)性，增大了光固化過程中反應(yīng)活性中心的擴(kuò)散速度。另一方面增加了光敏單體分子和光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基的擴(kuò)散能力，使得自由基和光敏樹脂分子碰撞幾率增加，從而增大了兩者的反應(yīng)機(jī)率。此外，溫度上升還加快了光固化過程中鏈增長和鏈轉(zhuǎn)移速度，進(jìn)而提高了陶瓷漿料的聚合速率（圖2）。經(jīng)1450攝氏度、4小時(shí)燒結(jié)，光固化打印樣品展現(xiàn)出致密的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的介電性能（表1）。其中，0.91MT-0.09CST微波陶瓷以其較高的品質(zhì)因子（46,800 GHz）和近零的諧振頻率溫度系數(shù)（-3.21 ppm/℃）可以滿足實(shí)際應(yīng)用。

圖2. 溫度對(duì)陶瓷漿料固化速率和固化厚度的影響。

表1. 光固化打印MT-CST微波陶瓷介電性能。

在此基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)并制備了復(fù)雜形狀MT-CST基陶瓷濾波器（圖3）：實(shí)測通帶帶寬為200 MHz，中心頻率為3.81 GHz，插入損耗為-1.3 dB。以上研究驗(yàn)證了通過光固化技術(shù)制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術(shù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖3. 光固化MT-CST陶瓷濾波器測試結(jié)果。