3D打(da)印(yin)高性(xing)能(neng)Mg2TiO4微(wei)波(bo)陶(tao)瓷

5G毫(hao)米波(bo)通訊(xun)技(ji)術(shu)的到(dao)來(lai)促使(shi)基站(zhan)濾(lv)波(bo)器朝(chao)著小型化、輕(qing)量化、形(xing)狀復雜(za)化和(he)低介(jie)電損(sun)耗(hao)化(hua)方向發(fa)展。為(wei)了兼(jian)顧濾(lv)波(bo)器尺(chi)寸(cun)和(he)形(xing)狀設計的需(xu)要(yao)，具有適(shi)中(zhong)介(jie)電常數(shu)、超(chao)低介(jie)電損(sun)耗(hao)和(he)近零(ling)諧振頻(pin)率溫度(du)系數的微(wei)波(bo)介(jie)質(zhi)陶(tao)瓷已(yi)經成為(wei)毫(hao)米波(bo)通訊(xun)的首(shou)。選。其中具有優(you)異(yi)微(wei)波(bo)介(jie)電性能(neng)(介(jie)電常數(shu)：14，品(pin)質(zhi)因(yin)子(zi)：150,000GHz)的Mg₂TiO₄微(wei)波(bo)陶(tao)瓷成(cheng)為(wei)最(zui)。具有代(dai)表性(xing)的材(cai)料。然而由(you)於(yu)微(wei)波(bo)陶(tao)瓷具有較高的硬(ying)度(du)和脆(cui)性使(shi)得高性(xing)能高精(jing)度(du)復雜(za)形(xing)狀的Mg₂TiO₄陶(tao)瓷的制(zhi)備和(he)加(jia)工(gong)面(mian)臨極大的挑(tiao)戰(zhan)。為(wei)了制(zhi)備出(chu)高精(jing)度(du)復雜(za)形(xing)狀的微(wei)波(bo)陶(tao)瓷器(qi)件，基於(yu)立體(ti)光(guang)刻(ke)的微(wei)型3D打印(yin)方法(fa)受(shou)到(dao)越來(lai)越廣(guang)泛的關(guan)註(zhu)。

近期(qi)，中南(nan)大學劉紹軍(jun)課(ke)題組和(he)河北(bei)工(gong)業大學胡(hu)寧(ning)團(tuan)隊的程立金老師通過(guo)面(mian)投影(ying)微立體(ti)光(guang)刻(ke)技(ji)術(microArch S240，摩(mo)方精(jing)密)成(cheng)功(gong)制(zhi)備了高(gao)性能高(gao)精(jing)度(du)的Mg₂TiO₄微(wei)波(bo)陶(tao)瓷，並(bing)澄(cheng)清了加(jia)工(gong)參(can)數（激(ji)光(guang)功率、曝光(guang)時(shi)間(jian)和鋪(pu)層(ceng)厚(hou)度(du)）對加(jia)工(gong)精(jing)度(du)和介(jie)電性能(neng)的影(ying)響(xiang)，最(zui)終(zhong)制備出(chu)加(jia)工(gong)誤(wu)差為(wei)16微米和品質(zhi)因(yin)子(zi)為(wei)142,000GHz的Mg₂TiO₄微(wei)波(bo)陶(tao)瓷。該(gai)制(zhi)備方法(fa)成(cheng)功解決(jue)了3D打(da)印(yin)功能(neng)陶(tao)瓷的多(duo)重(zhong)問題(ti)，例如成形(xing)樣品精(jing)度(du)差，密度(du)低和介(jie)電性能(neng)較傳(chuan)統(tong)成形(xing)方法(fa)低等諸多(duo)問題(ti)。同(tong)時(shi)該(gai)研究(jiu)為(wei)3D打印(yin)結構和(he)功能(neng)陶(tao)瓷的商業化應(ying)用提(ti)供了理(li)論基礎。相(xiang)關成(cheng)果(guo)以(yi)“Influence of layer thickness on microstructure and dielectric properties of Mg₂TiO₄ microwave ceramics fabricated by vat photopolymerization”為(wei)題發(fa)表在(zai)《Additive Manufacturing》期刊(kan)上。

團(tuan)隊成員使(shi)用面(mian)投影(ying)微立體(ti)光(guang)刻(ke)技(ji)術(microArch S240，摩(mo)方精(jing)密)制(zhi)備高(gao)性能(neng)高精(jing)度(du)無缺(que)陷的Mg₂TiO₄微(wei)波(bo)陶(tao)瓷，裝(zhuang)置(zhi)如圖1所(suo)示(shi)。當曝(pu)光(guang)功(gong)率(lv)為(wei)7.7 mW/cm²和曝(pu)光(guang)時(shi)間(jian)為(wei)0.8秒時(shi)，隨著鋪層(ceng)厚(hou)度(du)從(cong)20微米增加(jia)到(dao)50微米，打印(yin)樣品(pin)的加(jia)工(gong)誤(wu)差從(cong)31微米降低到(dao)12微米。這是由(you)於(yu)隨著鋪層(ceng)厚(hou)度(du)的增加(jia)，來(lai)自(zi)粉(fen)末散射(she)紫外(wai)光的能(neng)量和固(gu)液(ye)界(jie)面(mian)反射(she)紫外(wai)光的能(neng)量逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)，如圖2所(suo)示(shi)。

打(da)印(yin)樣品(pin)在(zai)1550攝(she)氏度(du)條(tiao)件下燒(shao)結4小時(shi)。燒(shao)結樣品(pin)密度(du)隨著鋪層(ceng)厚(hou)度(du)增加(jia)逐(zhu)漸(jian)增加(jia)。當(dang)樣(yang)品(pin)的鋪(pu)層(ceng)厚(hou)度(du)為(wei)20微米和30微米時(shi)，在(zai)樣品(pin)的側(ce)面(mian)（平行於(yu)打(da)印(yin)方向）發(fa)現(xian)許多(duo)呈(cheng)線(xian)性排(pai)列的微(wei)孔，而當鋪層(ceng)厚(hou)度(du)增加(jia)到(dao)40微米和50微米時(shi)，樣(yang)品側(ce)面(mian)的微(wei)孔不(bu)僅(jin)在(zai)數量上有所(suo)減(jian)少並(bing)且(qie)不(bu)再呈(cheng)線(xian)性排(pai)列，如圖3所(suo)示(shi)。這說(shuo)明(ming)層(ceng)間(jian)界(jie)面(mian)的微(wei)觀結構與(yu)鋪層(ceng)厚(hou)度(du)密切相(xiang)關。同(tong)時(shi)孔(kong)隙的消(xiao)除與燒(shao)結過(guo)程密切相(xiang)關，在(zai)燒(shao)結中期(qi)層(ceng)內孔(kong)隙逐(zhu)漸(jian)向層(ceng)間(jian)處偏移，同(tong)時(shi)層(ceng)間(jian)處的小(xiao)孔隙逐(zhu)漸(jian)消(xiao)失(shi)，大孔隙逐(zhu)漸(jian)長大。在(zai)燒(shao)結末期(qi)，位於(yu)層(ceng)間(jian)處的孔(kong)隙通過(guo)體(ti)積(ji)擴散機制不(bu)斷(duan)減(jian)小(xiao)。當鋪(pu)層(ceng)厚(hou)度(du)從(cong)20微米增加(jia)到(dao)50微米時(shi)，疊(die)層(ceng)數(shu)量減少(shao)壹(yi)半以(yi)上，導(dao)致(zhi)位於(yu)層(ceng)間(jian)處的孔(kong)隙缺(que)陷的數(shu)量明顯(xian)減(jian)少(shao)，孔(kong)隙的減(jian)少也會(hui)促(cu)進(jin)晶(jing)粒(li)的生(sheng)長。因(yin)此燒(shao)結樣品(pin)的品(pin)質(zhi)因(yin)子(zi)從(cong)123,000GHz增加(jia)到(dao)142,000GHz。