氧化铝基陶瓷微波器件光固化成形及性能研究

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微波介质陶瓷广泛应用于介质谐振器、滤波器、天线等微波元器件中,利用增材制造技术成形的微波介质陶瓷滤波器有望满足现代移动通信、卫星、雷达等领域对器件小型化、一体化、高可靠性等要求。本文以氧化铝和氧化钛球形粉末为原料配制成摩尔质量比为9:1的0.9Al2O3-0.1 TiO2陶瓷浆料,利用光固化技术成形出所设计的微波介质陶瓷滤波器,探究优化了脱脂、烧结、退火、金属化等后处理工艺参数,测试分析了0.9 Al2O3-0.1 TiO2陶瓷的介电性能和滤波器的滤波性能,本文的具体研究内容及主要结论如下:(1)设计了适用于3D打印的微波介质陶瓷滤波器的物理结构,根据本文所提出的性能指标分析得出了拓扑结构和等效电路模型,利用仿真优化分析确定最终的尺寸参数;(2)开发了满足405 nm紫外光固化成形的陶瓷浆料,以陶瓷浆料的粘度测试结果为依据,试验表明:当陶瓷粉末-树脂质量比为2.5、分散剂添加量为陶瓷粉末质量的2%、陶瓷浆料温度为50℃时,能够获得最优配比参数的陶瓷浆料;以Beer-Lambert定理为依据,研究了曝光参数对单层固化厚度的关系,试验表明:当曝光光强设为13000 m W/cm2,曝光时长设为5 s,能够获得最佳的曝光参数,对应的单层固化厚度为25μm;采用自研设备打印出微波介质陶瓷滤波器坯体;(3)试验研究了3D打印滤波器坯体的脱脂、烧结和退火工艺,基于坯体的热重分析结果,采用真空+常压的复合脱脂工艺;优选烧结、退火的温度曲线,测量发现:烧结、退火之后的陶瓷件较坯体有15%的线性收缩率,滤波器的最终成形尺寸误差为±0.7%(适用于线性尺寸为100 mm内);以硬度为陶瓷烧结、退火后的性能指标,测试表明:硬度值随烧结温度先升高后降低,在1550℃达到最大值,为17.24 GPa;采用激光活化+化学镀工艺对陶瓷件表面进行了金属化,达到屏蔽电磁场的效果;(4)测试了0.9 Al2O3-0.1 TiO2陶瓷的介电性能及该材料滤波器的滤波性能,结果表明:0.9Al2O3-0.1 TiO2陶瓷的介电性能与烧结、退火工艺密切相关;滤波器的实际中心频率与仿真数值的误差值仅为0.6%,通带内的实际插入损耗为1.16-2.52 d B,通带内的实际回波损耗大于30 d B,3 d B带宽内的群延为0.87-1.48 ns,信号响应快,失真度较小。
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