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西安电子科技大学等14家机构联合发表新综述：从机理到应用——微波介质陶瓷研究全景图精选

已有 13316 次阅读 2026-5-22 10:44 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Cite this article:

Yang H, Ou C, Liu H, et al. A review of microwave dielectric ceramics: From fundamental mechanisms and property regulation to advanced preparation, applications, and data-driven discovery. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221320

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221320

ResearchGate：A review of microwave dielectric ceramics: From fundamental mechanisms and property regulation to advanced preparation, applications, and data-driven discovery

一、导读

作为现代无线通信系统的核心基础材料，微波介质陶瓷（MWDCs）直接决定了5G/6G移动通信、卫星通信和物联网设备中天线、谐振器及滤波器等关键元器件的性能。随着通信频率向毫米波乃至亚THz频段快速演进，以及万物互联对器件小型化、低功耗和高集成度的极致追求，材料学界对微波介质陶瓷的准确表征、性能调控、先进制备与智能研发提出了更为严苛的要求。

为系统梳理该领域的科学进展与技术突破，西安电子科技大学杨鸿宇联合浙江大学、清华大学、电子科技大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、桂林理工大学等14家机构，共同发表了微波介质陶瓷研究综述，从三个核心参数（ε_r、Q×f和τ_f）出发，在五个关键维度（性能表征、理论机理、先进制备工艺、器件应用以及数据驱动的智能研发）上评述了最新研究进展及前景与挑战。

二、研究背景

在现代无线通信系统中，信息的高速传输与精确过滤，高度依赖于微波介质陶瓷的三个关键性能参数：合适的相对介电常数（ε_r）以满足器件小型化或信号传输速度，高Q×f值以确保低信号损耗与高频率选择性，以及近零的谐振频率温度系数（τ_f）以抵御环境温度变化对信号稳定性造成的干扰。

然而，微波介质陶瓷研究仍存在几个关键空白：在性能表征方面，极低损耗的准确表征受限于导体损耗与杂模干扰；在理论机理方面，微波损耗与温度系数的微观物理图像长期碎片化，缺乏完整统一的理论框架；在样品制备方面，传统高温烧结（>1000 ℃）能耗巨大，且无法与低熔点金属电极共烧，制约了器件的集成化进程；在材料设计方面，尽管机器学习提供了新途径，但在微波介质陶瓷中受到小数据集、缺乏物理信息描述符以及模型可解释性差的限制。基于这些问题，本文涵盖了从基础表征到实际应用的五个维度，全面评述了微波介质陶瓷研究的最新进展。

三、文章亮点

本综述全面系统地讨论了微波介质陶瓷研究的五个相互关联的领域：性能表征、理论机理、先进制备、器件应用、数据驱动的材料设计。标准化的谐振方法能够可靠地评估低损耗材料的介电性能，ε_r和tanδ的检测误差可分别低于1%和10^–5。精确的测试建立了定量描述微波介电响应机制的基础。近年来，基于晶体结构的介电理论、晶格动力学、缺陷分析及阳离子rattling效应等从化学键、晶格非谐振动、介电弛豫行为等方面揭示了介电损耗及温度系数的微观机制及调控策略。另外，先进的冷烧结工艺能够在低于300 ℃实现致密化，大幅降低能耗的同时实现了与聚合物、玻璃、低熔点电极共烧。进一步地，以基板、介质谐振天线、超材料等应用场景为例，清晰说明了从材料到器件的转化进程。最后，在机器学习模型中引入物理信息描述符和工艺参数，显著提高了模型的预测精度和可解释性，加速微波介质陶瓷的设计与优化。

当前，微波介质陶瓷研究仍存在诸多困难与挑战。首先，随着工作频率进入毫米波和亚太赫兹范围，介质损耗急剧增加，需在更深入理解损耗机制的基础上开发超低损耗材料，并发展响应的表征技术。另外，在大规模生产中保持纳米尺度的均匀微观结构及稳定的性能仍极巨挑战。在材料设计方面，需要构建全面、高质量的数据集，并开发跨材料体系的可解释机器学习模型。最后，集成化的应用场景需考虑陶瓷与其他材料的兼容性，热膨胀系数的匹配和长期的性能稳定性尤为重要。上述领域的突破将进一步夯实微波介质陶瓷在下一代无线通信等领域的关键地位。

四、作者及研究团队简介

杨鸿宇（第一作者、通讯作者），西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院讲师。主要研究方向：微波介质陶瓷、多层压电驱动器与传感器、新型能源材料与器件、机器学习。

刘唤（第一作者），杭州电子科技大学电子科学与技术博士后流动站博士后。主要研究方向：射频/毫米波滤波器、天线设计与集成，微波电介质材料设计与应用。

李雷（通讯作者），浙江大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向：微波介质材料、介电性能的评价与分析。

石锋（通讯作者），齐鲁工业大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向：微波陶瓷的晶格动力学研究及新材料新体系探索、硅基集成低维陶瓷纳米结构材料、高性能制氢/氢分离/储氢材料与相关技术。

郭蔚嘉（通讯作者），清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室助理研究员。主要研究方向：微波介质陶瓷、陶瓷缺陷表征及调控。

罗伟嘉（通讯作者），清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室副研究员。主要研究方向：‌微波介质陶瓷、陶瓷基超材料。

岳振星（通讯作者），清华大学教授。主要研究方向：铁电压电陶瓷材料、微波介质陶瓷材料、微波磁性材料、LTCC材料与陶瓷集成组件、功能陶瓷薄膜与厚膜材料。

李洁（通讯作者），桂林理工大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向：5G移动通讯用微波介质陶瓷材料开发、机理研究与器件设计。

方亮（通讯作者），桂林理工大学材料科学与工程学院教授，主要研究方向：介电功能材料。

郭靖（通讯作者），西安交通大学材料科学与工程学院教授，主要研究方向：‌陶瓷基电子功能材料‌（如微波介质陶瓷、压敏材料、磁介电陶瓷、电介质储能陶瓷）及‌低温烧结、“冷烧结”工艺‌。

宋开新（通讯作者），杭州电子科技大学电子信息学院教授。主要研究方向：电介质材料‌与‌无源射频电子元器件‌结构设计与封装。

刘志甫（通讯作者），中国科学院上海硅酸盐研究所研究员。主要研究方向：先进介质材料与元器件、无源元器件集成技术、敏感材料与智能元器件、功能陶瓷材料智能化研究。

李恩竹（通讯作者），电子科技大学集成电路科学与工程学院教授。主要研究方向：高性能柔性电介质材料及器件、高性能LTCC微波介质陶瓷材料及器件、高频低损耗微波介质陶瓷及器件、液流电池用新型隔膜。

汪宏（通讯作者），南方科技大学材料科学与工程系讲席教授。主要研究方向：低温烧结微波介质陶瓷、多功能纳米复合材料、功能薄膜与厚膜材料、介电性能测试技术。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。