3D打印高性能Mg2TiO4微波陶瓷

5G毫米波通訊技術的到來促使基站濾波器朝著小型化、輕量化、形狀復雜化和低介電損耗化方向發展。為了兼顧濾波器尺寸和形狀設計的需要，具有適中介電常數、超低介電損耗和近零諧振頻率溫度系數的微波介質陶瓷已經成為毫米波通訊的首。選。其中具有優異微波介電性能(介電常數：14，品質因子：150,000GHz)的Mg₂TiO₄微波陶瓷成為最。具有代表性的材料。然而由于微波陶瓷具有較高的硬度和脆性使得高性能高精度復雜形狀的Mg₂TiO₄陶瓷的制備和加工面臨極大的挑戰。為了制備出高精度復雜形狀的微波陶瓷器件，基于立體光刻的微型3D打印方法受到越來越廣泛的關注。

近期，中南大學劉紹軍課題組和河北工業大學胡寧團隊的程立金老師通過面投影微立體光刻技術(microArch S240，摩方精密)成功制備了高性能高精度的Mg₂TiO₄微波陶瓷，并澄清了加工參數（激光功率、曝光時間和鋪層厚度）對加工精度和介電性能的影響，最終制備出加工誤差為16微米和品質因子為142,000GHz的Mg₂TiO₄微波陶瓷。該制備方法成功解決了3D打印功能陶瓷的多重問題，例如成形樣品精度差，密度低和介電性能較傳統成形方法低等諸多問題。同時該研究為3D打印結構和功能陶瓷的商業化應用提供了理論基礎。相關成果以“Influence of layer thickness on microstructure and dielectric properties of Mg₂TiO₄ microwave ceramics fabricated by vat photopolymerization”為題發表在《Additive Manufacturing》期刊上。

團隊成員使用面投影微立體光刻技術(microArch S240，摩方精密)制備高性能高精度無缺陷的Mg₂TiO₄微波陶瓷，裝置如圖1所示。當曝光功率為7.7 mW/cm²和曝光時間為0.8秒時，隨著鋪層厚度從20微米增加到50微米，打印樣品的加工誤差從31微米降低到12微米。這是由于隨著鋪層厚度的增加，來自粉末散射紫外光的能量和固液界面反射紫外光的能量逐漸減小，如圖2所示。

打印樣品在1550攝氏度條件下燒結4小時。燒結樣品密度隨著鋪層厚度增加逐漸增加。當樣品的鋪層厚度為20微米和30微米時，在樣品的側面（平行于打印方向）發現許多呈線性排列的微孔，而當鋪層厚度增加到40微米和50微米時，樣品側面的微孔不僅在數量上有所減少并且不再呈線性排列，如圖3所示。這說明層間界面的微觀結構與鋪層厚度密切相關。同時孔隙的消除與燒結過程密切相關，在燒結中期層內孔隙逐漸向層間處偏移，同時層間處的小孔隙逐漸消失，大孔隙逐漸長大。在燒結末期，位于層間處的孔隙通過體積擴散機制不斷減小。當鋪層厚度從20微米增加到50微米時，疊層數量減少一半以上，導致位于層間處的孔隙缺陷的數量明顯減少，孔隙的減少也會促進晶粒的生長。因此燒結樣品的品質因子從123,000GHz增加到142,000GHz。