热辅助光固化技术：实现高性能微波陶瓷应用新突破

随着移动通信需求的迅猛增长，无线通信技术逐渐向毫米波和亚毫米波方向发展。作为现代无线技术的推动者，微波陶瓷以其优异的介电性能，已成为促进无线设备小型化和集成化的基本组成部分。在众多微波陶瓷体系中，Mg2TiO4基微波陶瓷凭借其优异的介电性能（介电常数：14，品质因数：150,000 GHz），已被广泛应用于谐振器和滤波器等无线通讯领域。然而，随着毫米波通信技术的迅猛发展，对微波介质陶瓷的性能要求也日益严苛：器件需实现体积小型化、功能集成化以及结构复杂化等。但由于微波陶瓷材料本身固有的硬度和脆性等特性，极大程度的限制了其在复杂精密形状构件中的加工可行性与制备可靠性。

近期，河北工业大学程立金老师及国家纳米科学中心刘飞博士后通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术(microArch® S240，精度：10 μm)成功制备了高性能的Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3（MT-CST）微波陶瓷，并设计制备了复杂形状陶瓷滤波器，实测中心频率为3.81 GHz，带宽为200 MHz，插入损耗为-1.3 dB，验证了光固化成形MT-CST陶瓷在高频器件中的实际应用价值。同时该研究为3D打印功能陶瓷的商业化应用提供了理论基础。相关研究成果以“Fabrication of high-performance Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3 microwave ceramic filters by heated-assisted digital light processing"为题发表在《Journal of Alloy and Compounds》期刊上。

首先，作者通过传统固相合成法制备出平均粒径为400纳米的MT-CST微波陶瓷粉末。通过调控温度，改善陶瓷浆料的粘度和流变行为，研究发现温度为65 ℃时，固相含量为57.5 vol%的BZN陶瓷浆料具有较低的粘度和剪切变稀的流变行为。

图1. 温度对陶瓷浆料粘度和流变行为的影响。

同时，本研究系统探讨了固化温度对陶瓷浆料固化速率和固化厚度的影响机制。结果表明，随着固化温度的增加，陶瓷浆料固化速率和固化厚度随之增加。固化温度的提高，一方面显著降低了陶瓷浆料的粘度，促进其流动性，增大了光固化过程中反应活性中心的扩散速度。另一方面增加了光敏单体分子和光引发剂产生的自由基的扩散能力，使得自由基和光敏树脂分子碰撞几率增加，从而增大了两者的反应机率。此外，温度上升还加快了光固化过程中链增长和链转移速度，进而提高了陶瓷浆料的聚合速率（图2）。经1450摄氏度、4小时烧结，光固化打印样品展现出致密的微观结构和优异的介电性能（表1）。其中，0.91MT-0.09CST微波陶瓷以其较高的品质因子（46,800 GHz）和近零的谐振频率温度系数（-3.21 ppm/℃）可以满足实际应用。

图2. 温度对陶瓷浆料固化速率和固化厚度的影响。

表1. 光固化打印MT-CST微波陶瓷介电性能。

在此基础上，作者设计并制备了复杂形状MT-CST基陶瓷滤波器（图3）：实测通带带宽为200 MHz，中心频率为3.81 GHz，插入损耗为-1.3 dB。以上研究验证了通过光固化技术制备的微波介质陶瓷在高频通讯技术领域具有潜在的应用价值。

图3. 光固化MT-CST陶瓷滤波器测试结果。