【儀表網 研發快訊】隨著5G/6G通信技術向空天地海一體化網絡(SAGSIN)演進，傳統功能陶瓷在寬溫域內同步實現穩定微波信號傳輸與精準溫度傳感的核心材料瓶頸愈發顯著。特別是在毫米波通信頻段向Ku/Ka波段拓展的需求下，微波介質陶瓷需兼具三項關鍵特性：(1)可調諧的介電常數(εr)，滿足器件微型化需求；(2)高Q·f值，可增強頻率選擇性；(3)接近零的諧振頻率溫度系數(τf)，確保熱穩定性。同時，負溫度系數(NTC)熱敏陶瓷作為系統“熱管理器”，需在寬溫域內具備高線性度與高B值以實時校準溫度漂移。尖晶石陶瓷雖在單一功能領域表現突出——如MgAl2O4的優異微波性能和MnFe2O4的NTC特性，但二者存在固有缺陷：前者因超高電阻率無法實現熱敏功能，后者因Fe3+/Fe2+變價導致高溫電學失穩。中國科學院新疆理化技術研究所材料物理與化學研究室前期通過固溶設計制備的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的電荷失衡和非阿倫尼烏斯行為，導致微波性能與熱敏線性度難以兼容。
近期，新疆理化所科研人員針對Mg-Al-Mn-Fe-O尖晶石陶瓷在高溫下電學性能非線性及微波損耗等問題，提出了基于Sc3+晶格錨定效應調控價態平衡，同步抑制氧空位擴散并強化八面體鍵價的策略。實驗結果表明，在200-1000 ℃超寬溫域內實現了高度線性熱敏特性(B200℃/1000℃ = 8367-9758 K)，滿足寬溫域溫度傳感的線性度需求；同時，實現了尖晶石陶瓷低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諧振天線在12 GHz衛星通信頻段實現92%的輻射效率與6.28 dBi的增益，充分驗證了其在衛星通信前端模塊中的工程應用潛力。
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，發表在陶瓷領域唯一中國科學院一區期刊《先進陶瓷》(J. Adv. Ceram.)上。中國科學院新疆理化技術研究所為第一完成單位，博士研究生李文元為第一作者，導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基金、新疆天山英才計劃、國家自然科學基金以及中國科學院青年創新促進會等項目的資助。
圖. 多功能微波-熱敏陶瓷材料結構、性能及應用
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