隨著5G/6G通信技術(shù)向空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)(SAGSIN)演進(jìn)，傳統(tǒng)功能陶瓷在寬溫域內(nèi)同步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定微波信號(hào)傳輸與精準(zhǔn)溫度傳感的核心材料瓶頸愈發(fā)顯著。特別是在毫米波通信頻段向Ku/Ka波段拓展的需求下，微波介質(zhì)陶瓷需兼具三項(xiàng)關(guān)鍵特性：(1)可調(diào)諧的介電常數(shù)(εr)，滿(mǎn)足器件微型化需求；(2)高Q·f值，可增強(qiáng)頻率選擇性；(3)接近零的諧振頻率溫度系數(shù)(τf)，確保熱穩(wěn)定性。同時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏陶瓷作為系統(tǒng)“熱管理器”，需在寬溫域內(nèi)具備高線(xiàn)性度與高B值以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)溫度漂移。尖晶石陶瓷雖在單一功能領(lǐng)域表現(xiàn)突出——如MgAl2O4的優(yōu)異微波性能和MnFe2O4的NTC特性，但二者存在固有缺陷：前者因超高電阻率無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱敏功能，后者因Fe3+/Fe2+變價(jià)導(dǎo)致高溫電學(xué)失穩(wěn)。中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所材料物理與化學(xué)研究室前期通過(guò)固溶設(shè)計(jì)制備的Mg0.8Mn0.2Al1.6Fe0.4O4陶瓷雖將B值提升至8056 K，仍受限于氧空位誘導(dǎo)的電荷失衡和非阿倫尼烏斯行為，導(dǎo)致微波性能與熱敏線(xiàn)性度難以兼容。
近期，新疆理化所科研人員針對(duì)Mg-Al-Mn-Fe-O尖晶石陶瓷在高溫下電學(xué)性能非線(xiàn)性及微波損耗等問(wèn)題，提出了基于Sc3+晶格錨定效應(yīng)調(diào)控價(jià)態(tài)平衡，同步抑制氧空位擴(kuò)散并強(qiáng)化八面體鍵價(jià)的策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200-1000 ℃超寬溫域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高度線(xiàn)性熱敏特性(B200℃/1000℃ = 8367-9758 K)，滿(mǎn)足寬溫域溫度傳感的線(xiàn)性度需求；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了尖晶石陶瓷低ε? (10.08)、超高Q·f (149,000 GHz)及近零τf (-10.2×10-6/℃)的平衡。基于該材料制備的圓柱介質(zhì)諧振天線(xiàn)在12 GHz衛(wèi)星通信頻段實(shí)現(xiàn)92%的輻射效率與6.28 dBi的增益，充分驗(yàn)證了其在衛(wèi)星通信前端模塊中的工程應(yīng)用潛力。
該研究成果以“Sc3+-modified Mg-Al-Mn-Fe-O spinel ceramics with co-enhanced microwave dielectric and thermosensitive properties for multifunctional applications”為題，發(fā)表在陶瓷領(lǐng)域唯一中國(guó)科學(xué)院一區(qū)期刊《先進(jìn)陶瓷》(J. Adv. Ceram.)上。中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所為第一完成單位，博士研究生李文元為第一作者，導(dǎo)師張博研究員為通訊作者。
該研究工作得到了新疆杰出青年科學(xué)基金、新疆天山英才計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。
圖. 多功能微波-熱敏陶瓷材料結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用
