5G毫米波通訊技術(shù)的到來促使基站濾波器朝著小型化、輕量化、形狀復(fù)雜化和低介電損耗化方向發(fā)展。為了兼顧濾波器尺寸和形狀設(shè)計(jì)的需要，具有適中介電常數(shù)、超低介電損耗和近零諧振頻率溫度系數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷已經(jīng)成為毫米波通訊的首。選。其中具有優(yōu)異微波介電性能(介電常數(shù)：14，品質(zhì)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(fù)雜形狀的Mg₂TiO₄陶瓷的制備和加工面臨極大的挑戰(zhàn)。為了制備出高精度復(fù)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(guān)注。

近期，中南大學(xué)劉紹軍課題組和河北工業(yè)大學(xué)胡寧團(tuán)隊(duì)的程立金老師通過面投影微立體光刻技術(shù)(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(shù)（激光功率、曝光時(shí)間和鋪層厚度）對(duì)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(zhì)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(tǒng)成形方法低等諸多問題。同時(shí)該研究為3D打印結(jié)構(gòu)和功能陶瓷的商業(yè)化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Influence of layer thickness on microstructure and dielectric properties of Mg₂TiO₄ microwave ceramics fabricated by vat photopolymerization”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

團(tuán)隊(duì)成員使用面投影微立體光刻技術(shù)(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(dāng)曝光功率為7.7 mW/cm²和曝光時(shí)間為0.8秒時(shí)，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(jié)4小時(shí)。燒結(jié)樣品密度隨著鋪層厚度增加逐漸增加。當(dāng)樣品的鋪層厚度為20微米和30微米時(shí)，在樣品的側(cè)面（平行于打印方向）發(fā)現(xiàn)許多呈線性排列的微孔，而當(dāng)鋪層厚度增加到40微米和50微米時(shí)，樣品側(cè)面的微孔不僅在數(shù)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(jié)構(gòu)與鋪層厚度密切相關(guān)。同時(shí)孔隙的消除與燒結(jié)過程密切相關(guān)，在燒結(jié)中期層內(nèi)孔隙逐漸向?qū)娱g處偏移，同時(shí)層間處的小孔隙逐漸消失，大孔隙逐漸長大。在燒結(jié)末期，位于層間處的孔隙通過體積擴(kuò)散機(jī)制不斷減小。當(dāng)鋪層厚度從20微米增加到50微米時(shí)，疊層數(shù)量減少一半以上，導(dǎo)致位于層間處的孔隙缺陷的數(shù)量明顯減少，孔隙的減少也會(huì)促進(jìn)晶粒的生長。因此燒結(jié)樣品的品質(zhì)因子從123,000GHz增加到142,000GHz。