隨著移動通信需求的迅猛增長，無線通信技術逐漸向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展。作為現(xiàn)代無線技術的推動者，微波陶瓷以其優(yōu)異的介電性能，已成為促進無線設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），已被廣泛應用于諧振器和濾波器等無線通訊領域。然而，隨著毫米波通信技術的迅猛發(fā)展，對微波介質(zhì)陶瓷的性能要求也日益嚴苛：器件需實現(xiàn)體積小型化、功能集成化以及結(jié)構(gòu)復雜化等。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)大學程立金老師及國家納米科學中心劉飛博士后通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(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，并設計制備了復雜形狀陶瓷濾波器，實測中心頻率為3.81 GHz，帶寬為200 MHz，插入損耗為-1.3 dB，驗證了光固化成形MT-CST陶瓷在高頻器件中的實際應用價值。同時該研究為3D打印功能陶瓷的商業(yè)化應用提供了理論基礎。相關研究成果以“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，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. 溫度對陶瓷漿料粘度和流變行為的影響。

同時，本研究系統(tǒng)探討了固化溫度對陶瓷漿料固化速率和固化厚度的影響機制。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，促進其流動性，增大了光固化過程中反應活性中心的擴散速度。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機率。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，進而提高了陶瓷漿料的聚合速率（圖2）。經(jīng)1450攝氏度、4小時燒結(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/℃）可以滿足實際應用。

圖2. 溫度對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。

在此基礎上，作者設計并制備了復雜形狀MT-CST基陶瓷濾波器（圖3）：實測通帶帶寬為200 MHz，中心頻率為3.81 GHz，插入損耗為-1.3 dB。以上研究驗證了通過光固化技術制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術領域具有潛在的應用價值。

圖3. 光固化MT-CST陶瓷濾波器測試結(jié)果。