熱(re)輔助光固(gu)化(hua)技術(shu)：實(shi)現高性能微(wei)波(bo)陶瓷應用新突(tu)破(po)

隨(sui)著移動通(tong)信(xin)需(xu)求的迅(xun)猛增(zeng)長(chang)，無線通(tong)信技(ji)術逐(zhu)漸(jian)向(xiang)毫(hao)米波(bo)和亞毫米波(bo)方(fang)向(xiang)發展(zhan)。作為現代無線技(ji)術的(de)推動者(zhe)，微(wei)波(bo)陶瓷以(yi)其(qi)優(you)異(yi)的(de)介電(dian)性能，已成為促進(jin)無線設(she)備(bei)小(xiao)型(xing)化(hua)和集(ji)成化(hua)的基(ji)本(ben)組成部分。在(zai)眾(zhong)多微(wei)波陶瓷體系中，Mg2TiO4基(ji)微波(bo)陶瓷憑借(jie)其(qi)優(you)異(yi)的(de)介電(dian)性能（介電(dian)常(chang)數：14，品(pin)質(zhi)因數：150,000 GHz），已被(bei)廣泛(fan)應用於(yu)諧振器和濾波(bo)器等(deng)無線通(tong)訊(xun)領域(yu)。然(ran)而，隨(sui)著毫(hao)米波(bo)通(tong)信(xin)技(ji)術的(de)迅猛發展(zhan)，對(dui)微波(bo)介質(zhi)陶瓷的性(xing)能(neng)要(yao)求也日(ri)益(yi)嚴苛(ke)：器件需(xu)實(shi)現體積小型(xing)化(hua)、功能集(ji)成化(hua)以(yi)及結(jie)構(gou)復(fu)雜化(hua)等(deng)。但(dan)由(you)於(yu)微波(bo)陶瓷材料(liao)本(ben)身固有(you)的(de)硬度和脆性等(deng)特(te)性(xing)，極(ji)大程度的限(xian)制(zhi)了其在(zai)復(fu)雜精密(mi)形狀構(gou)件中(zhong)的(de)加工可(ke)行性(xing)與制備(bei)可(ke)靠性。

近(jin)期，河北工(gong)業大學程立(li)金老(lao)師及國(guo)家納米科(ke)學(xue)中(zhong)心(xin)劉(liu)飛(fei)博(bo)士(shi)後通(tong)過摩方精密(mi)面投影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)（PμSL）技(ji)術(microArch® S240，精度(du)：10 μm)成功制備了高性能的(de)Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3（MT-CST）微(wei)波陶瓷，並設(she)計(ji)制(zhi)備(bei)了復(fu)雜形狀陶瓷濾波(bo)器，實(shi)測中(zhong)心(xin)頻率(lv)為3.81 GHz，帶(dai)寬(kuan)為200 MHz，插入(ru)損(sun)耗(hao)為-1.3 dB，驗(yan)證了光固化(hua)成形MT-CST陶瓷在(zai)高頻器件中(zhong)的(de)實(shi)際(ji)應用價值(zhi)。同時(shi)該(gai)研究為3D打(da)印(yin)功能陶瓷的商(shang)業化(hua)應用提供(gong)了理論基(ji)礎(chu)。相關研(yan)究成(cheng)果以(yi)“Fabrication of high-performance Mg2TiO4-Ca0.8Sr0.2TiO3 microwave ceramic filters by heated-assisted digital light processing"為題(ti)發表(biao)在(zai)《Journal of Alloy and Compounds》期刊(kan)上。

首(shou)先，作者通過傳(chuan)統(tong)固相合成法制備(bei)出(chu)平均粒(li)徑為400納(na)米的(de)MT-CST微(wei)波(bo)陶瓷粉末(mo)。通過調(tiao)控溫(wen)度(du)，改善(shan)陶瓷漿料(liao)的粘度(du)和流(liu)變行(xing)為，研(yan)究(jiu)發現溫(wen)度(du)為65 ℃時(shi)，固(gu)相含量為57.5 vol%的(de)BZN陶瓷漿料(liao)具有較低的(de)粘度(du)和剪(jian)切(qie)變(bian)稀的(de)流(liu)變行(xing)為。

圖(tu)1. 溫(wen)度(du)對(dui)陶瓷漿料(liao)粘度(du)和流(liu)變行(xing)為的(de)影(ying)響。

同時(shi)，本(ben)研究系統探討了固化(hua)溫(wen)度(du)對(dui)陶瓷漿料(liao)固化(hua)速(su)率(lv)和固化(hua)厚(hou)度(du)的(de)影(ying)響機制(zhi)。結果表(biao)明(ming)，隨(sui)著固(gu)化(hua)溫(wen)度(du)的增加，陶瓷漿料(liao)固化(hua)速(su)率(lv)和固化(hua)厚(hou)度(du)隨(sui)之(zhi)增加。固化(hua)溫(wen)度(du)的提高，壹(yi)方面顯(xian)著(zhu)降(jiang)低了陶瓷漿料(liao)的粘度(du)，促進(jin)其(qi)流(liu)動性(xing)，增(zeng)大了光固化(hua)過程中反(fan)應活(huo)性中(zhong)心的(de)擴(kuo)散速(su)度。另(ling)壹(yi)方面增(zeng)加了光敏單體(ti)分子(zi)和光引發劑產生(sheng)的自由(you)基的(de)擴(kuo)散能力，使(shi)得自由(you)基和光敏樹脂分子(zi)碰撞幾(ji)率(lv)增(zeng)加，從而增大了兩者(zhe)的反(fan)應機(ji)率(lv)。此(ci)外，溫(wen)度(du)上升(sheng)還(hai)加快了光固化(hua)過程中鏈增長(chang)和鏈轉移速(su)度，進而提高了陶瓷漿料(liao)的聚合速(su)率(lv)（圖(tu)2）。經1450攝(she)氏度(du)、4小時(shi)燒(shao)結，光固化(hua)打印(yin)樣(yang)品展(zhan)現出(chu)致密(mi)的(de)微觀結構和優(you)異(yi)的(de)介電(dian)性能（表(biao)1）。其中(zhong)，0.91MT-0.09CST微波(bo)陶瓷以(yi)其(qi)較高的品質(zhi)因子（46,800 GHz）和近零的(de)諧振頻(pin)率(lv)溫(wen)度(du)系數（-3.21 ppm/℃）可(ke)以(yi)滿(man)足實際(ji)應用。

圖2. 溫(wen)度(du)對(dui)陶瓷漿料(liao)固化(hua)速(su)率(lv)和固化(hua)厚(hou)度(du)的(de)影(ying)響。

表(biao)1. 光固(gu)化(hua)打印(yin)MT-CST微波(bo)陶瓷介電(dian)性能。

在(zai)此(ci)基(ji)礎上，作(zuo)者(zhe)設(she)計(ji)並制(zhi)備(bei)了復(fu)雜形狀MT-CST基(ji)陶瓷濾波(bo)器（圖(tu)3）：實測通(tong)帶(dai)帶(dai)寬(kuan)為200 MHz，中(zhong)心(xin)頻率(lv)為3.81 GHz，插入(ru)損(sun)耗(hao)為-1.3 dB。以(yi)上研(yan)究(jiu)驗(yan)證了通過光固化(hua)技術(shu)制(zhi)備(bei)的微波(bo)介質(zhi)陶瓷在(zai)高頻通訊(xun)技術(shu)領域(yu)具有潛在(zai)的應用價值(zhi)。

圖3. 光(guang)固(gu)化(hua)MT-CST陶瓷濾波(bo)器測試結果。