文章导读
在现代通信与雷达系统中，高可调率铁电材料常因介电常数过高导致严重的阻抗失配，而传统的复合材料构型又容易削弱陶瓷的非线性响应。面对这一性能制约，西安交大周迪教授团队采用冰模板法构建了陶瓷相连续贯通的“准并联”架构，通过跨尺度协同优化，使15 vol.%样品在30 kV/cm下实现50%可调率，并将介电常数从3300降低至490。这种新结构如何通过解耦介电常数与可调率的矛盾，为微波器件的小型化提供新路径？
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介电常数能随偏置电场变化的铁电材料已成功应用于制造可变频滤波器、可调谐移相器等核心微波器件，在现代通信与雷达系统中展现出重要应用潜力。然而，高可调率（>50%）往往要求介电常数>1000，由此引发的阻抗失配迫使系统增加复杂的匹配电路。为缓解这一矛盾，将低介电常数聚合物与铁电陶瓷复合是广泛探索的路线。然而如图一的有限元模拟结果所示：传统0-3或3-3构型中聚合物承担了大部分电压，严重削弱了陶瓷的非线性响应；唯有并联构型保持了陶瓷相内的强电场分布，从而维持复合体系的高有效可调率。
图一 不同连接模式（串联、0–3、3–3和并联）下复合体系有效可调率的有限元模拟
陶瓷相的本征性能决定了复合体系的性能上限，在前期工作中，团队通过组分调控与溶胶-凝胶合成工艺，在Bi6Ti5WO22体系陶瓷中实现了≈60%的介电可调率（Advanced Functional Materials, 2026, 36, e76365）。基于此，本工作选取该最优组分，按照并联构型思路与低介电聚合物基体复合：采用冰模板法构建陶瓷相沿电场方向连续贯通的“准并联”架构，并提出跨尺度协同优化——颗粒尺度，溶胶-凝胶细晶粉体提升壁体致密度；壁体尺度，受控定向冷冻抑制壁间桥接、提高取向度。图二的三维μCT重构取向分析表明：逾80%的陶瓷相与冷冻方向倾角小于10°，验证了陶瓷壁体优异的连续性以及沿冷冻方向的有序排列。最终，15 vol.%样品在30 kV/cm下实现了50%可调率，同时，介电常数从纯陶瓷的3300降低至490。
图二 三维μCT重构证实了陶瓷壁沿冷冻方向的高度有序排列
此外，如图三所示，基于μCT真实三维结构的有限元模拟首先验证了模型对宏观介电响应随直流偏置变化趋势的再现能力。在此基础上，局部介电常数变化量的截面图直观揭示了壁体弯曲骨架中的宏观倾斜、壁体弯曲、不连续等是实际性能与理想并联极限之间差距的主要来源，为后续工艺优化指明了方向。
图三 基于μCT真实三维结构的有限元模拟与局部介电响应分析
该研究成果以《准并联铁电复合材料解耦介电常数与可调率的相互制约》（Quasi-Parallel Ferroelectric Composites Decoupling the Permittivity-Tunability Trade-Off）为题，在国际知名学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=19.9）发表，西安交通大学为该论文第一完成单位。西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士研究生李祥坤为论文第一作者，电子学院周迪教授、李睿韬助理教授、中科院上海硅酸盐研究所林慧兴研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77812
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这种准并联结构挺有意思的