ZnAl2O4基微波介质陶瓷的数字光处理成形及其性能研究

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ZnAl2O4基微波介质陶瓷由于其优异的微波介电性能、良好的力学性能及低热膨胀系数,是制备5G透镜天线的理想材料。然而,传统成型工艺难以满足5G微波器件对高精度、低功耗、复杂结构的要求。本文以ZnAl2O4基陶瓷为研究对象,通过数字光处理技术(Digital light processing,DLP)制备ZnAl2O4基微波介质陶瓷,研究了分散剂含量、固相含量、光引发剂含量和烧结温度对ZnAl2O4基陶瓷浆料的流变性、光固化特性和烧结后陶瓷的性能的影响规律。主要研究结果如下:(1)制备具有良好光固化特性的高固相含量低粘度0.79ZnAl2O4-0.21TiO2陶瓷浆料。用于DLP成形的最佳浆料配方和成形参数为:分散剂加入量为2.0 wt%时,陶瓷浆料具有最佳分散效果和良好的稳定性;陶瓷浆料固相含量为30~45 vol%时,可保证陶瓷浆料良好的流变特性;光引发剂加入量为1.0 wt%时,具有最佳的固化效果;曝光能量范围为110~160 m J/cm~2、分层厚度为50μm时,陶瓷浆料具有良好的单层固化深度和成形精度。(2)通过DLP技术制备0.79ZnAl2O4-0.21TiO2微波介质陶瓷。采用气氛裂解有机物和残碳处理的两步排胶法可保证陶瓷坯体的完整性;固相含量为40 vol%的样品在1500°C烧结4 h,可获得最佳性能,其致密度为95.29%,εr=11.55,Q×f=62266 GHz,τf=-0.64 ppm/°C。(3)通过DLP技术制备90 wt%(0.75ZnAl2O4-0.25TiO2)-10 wt%Mg TiO3(ZTM)微波介质陶瓷。ZTM陶瓷具有更高的最大致密化速率(vmax=0.297 s-1)和更低的致密化温度(Tmax=1335°C),且在1120°C范围反应生成Mg Ti2O5引起局部温区致密化速率加快,最终ZTM陶瓷可在1400°C烧结3 h完成致密化;Mg Ti2O5高温析出TiO2并与ZnAl2O4反应生成Mg Al2O4会出现层状结构的晶粒;ZTM陶瓷在1450°C烧结3 h,可获得最佳微波介电性能:εr=12.99,Q×f=69245 GHz,τf=-9.50 ppm/°C。通过优化陶瓷浆料配方、DLP成形参数和烧结制度,有望实现ZnAl2O4基高性能透镜天线的光固化成形,推动精密结构5G微波器件的制备和应用。
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