Abstract

The room temperature fabrication method for electroceramics allows manufacturing of relatively dense ceramic bodies with competent microwave dielectric properties. It is based on the use of water-soluble ceramic materials and pressure as the driving force for consolidation.

Previously with this method, forming of the ceramic body has been done with uniaxial pressing in a mould. This work presents the applicability of 3D printing with extrusion and 2D printing through a stencil as alternative forming techniques for Li₂MoO₄-based all-ceramic samples. Successful printing was achieved through experimental optimization of the paste formulations. Compared to uniaxial pressing, the printed samples showed decreased relative densities due to the lower pressures available in the forming. As a result, the dielectric properties of the samples reached somewhat lower values, but still showed feasibility for microwave applications. In addition, the benefit of simultaneous processing and direct integration of Li₂MoO₄-based ceramics with temperature-sensitive materials offered by the low processing temperature was verified in this thesis.

The results pave the way for fabrication of electronics and telecommunication devices with significant time, cost, and energy savings due to the applicability of room temperature fabricable Li₂MoO₄-based ceramics to different printing techniques and to integration with temperature-sensitive materials.

Tiivistelmä

Sähkökeraamien huoneenlämpötilan valmistusmenetelmällä on mahdollista valmistaa verrattain tiheitä keraamisia kappaleita, joilla on kilpailukykyiset dielektriset ominaisuudet mikroaaltoalueella. Menetelmä perustuu vesiliukoisten keraamisten materiaalien hyödyntämiseen ja paineen käyttöön tiivistymistä ajavana voimana.

Aikaisemmin tällä menetelmällä keraaminen kappale on valmistettu puristamalla muotissa. Tässä työssä esitetään ekstruusioon perustuvan 3D-tulostuksen ja stensiilillä tehtävän 2D-painatuksen sovellettavuus vaihtoehtoisina valmistustekniikoina näille täysin keraamisille Li₂MoO₄-pohjaisille keraaminäytteille. Pastojen koostumusten optimoinnin ansiosta näytteiden valmistaminen onnistui toivotulla tavalla. Verrattuna puristamalla valmistettuihin näytteisiin, tulostetuilla ja painetuilla näytteillä oli pienempi suhteellinen tiheys johtuen näiden tekniikoiden käyttämistä alhaisemmista paineista. Siksi näytteiden dielektristen ominaisuuksien arvot olivat matalammat mutta ne olivat silti käyttökelpoisia mikroaaltoalueen sovelluksissa. Lisäksi tässä työssä osoitettiin, että Li₂MoO₄-pohjaisten keraamien samanaikainen prosessointi ja niiden yhdistäminen lämpöherkkien materiaalien kanssa on mahdollista.

Tulokset viitoittavat tietä elektroniikan ja tietoliikennetekniikan komponenttien uusille aikaa, kustannuksia ja energiaa säästäville valmistusmenetelmille. Tämä johtuu huoneenlämpötilan valmistusmenetelmällä tehtävien Li₂MoO₄-pohjaisten keraamien soveltuvuudesta tulostus- ja painotekniikoihin ja niiden yhdistettävyydestä lämpötilaherkkien materiaalien kanssa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Väätäjä, M., Kähäri, H., Ohenoja, K., Sobocinski, M., Juuti, J., & Jantunen, H. (2018). 3D printed dielectric ceramic without a sintering stage. Scientific Reports, 8(1), 15955. https://doi.org/10.1038/s41598-018-34408-5

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Väätäjä, M., Kähäri, H., Ohenoja, K., Juuti, J., & Jantunen, H. (2020). Direct integration of dielectric all-ceramic thick films on a polymer substrate using room temperature fabrication. Journal of the European Ceramic Society, 40(12), 3984–3988. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.009

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Myllymäki, S., Väätäjä, M., Omodara, G., Kähäri, H., Juuti, J., & Jantunen, H. (2022). Characterization of li2moo4 / batio3 all-ceramic films on organic substrate printed capacitors at 45 mhz – 10 ghz. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1–1. https://doi.org/10.1109/TDEI.2022.3157913

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Väätäjä, M., Kähäri, H., Juuti, J., & Jantunen, H. (2017). Li 2 MoO 4 -based composite ceramics fabricated from temperature- and atmosphere-sensitive MnZn ferrite at room temperature. Journal of the American Ceramic Society, 100(8), 3626–3635. https://doi.org/10.1111/jace.14914

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version