论文部分内容阅读
高性能微波复合介质基板不仅是微波元器件的载体,还是实现组件内部互连和一些无源功能电气互连的板材,是组件的核心组成部分,也是实现功能模块小型轻量化、高可靠和低成本的关键材料之一,可以大量应用于微波通信、预警等领域的T/R组件、天线单元、移相器等关键元件及其高频电路。毫米波雷达、卫星导航、5G通信、辅助驾驶系统等新兴技术的发展,对复合介质基板材料提出了新的性能要求。含氟聚合物具有良好的电学特性及优异的化学稳定性,但是其热性能很差,热力学与电学性能要求之间的相互制约与矛盾,成为了含氟介质基板必需解决的基础问题。本文通过填充高性能微波介电陶瓷及玻璃纤维实现其介电性能可调及达到降低热膨胀的目的,研究了陶瓷与聚合物性能对复合材料结构与性能的影响;通过表面改性技术改变陶瓷与聚合物界面结构与结合方式,达到降低介电损耗的目的;探讨了陶瓷颗粒形状与界面对介电性能的影响规律及复合介质材料介电性能与热力学性能的协同调控规律。主要研究内容与创新性结论如下:（1）以钙钛矿结构（Ca,Li,Sm）TiO3（CLST）陶瓷作为填充相,含氟聚合物聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏四氟乙烯（PVDF）作为基体材料,制备微波复合介质材料,探讨其外场作用下的介电响应机理。结果表明,聚合物性能不同,复合材料的介电响应机理不同。在低频（40Hz-1MHz）下,PVDF基复合材料的介电损耗随频率的增加而增加,说明其空间电荷极化产生的损耗较低,而偶极子弛豫极化产生的损耗较大,这是因为PVDF为极性材料所致。PTFE基复合材料的介电损耗随频率的增加而降低,说明其空间电荷极化产生的损耗较大,而偶极子弛豫极化产生的损耗较小,这与PTFE为非极性材料有关。极性的PVDF很容易与陶瓷混合形成均匀复合材料,而PTFE则与陶瓷间结合困难,很容易产生孔洞等缺陷,导致二者空间电荷极化和偶极子极化的贡献差别很大。在微波频段,只存在电子位移与离子位移的贡献,因此介电损耗的主要来源是有机/无机界面缺陷引起的非本征的电导损耗。PVDF的极性很容易与陶瓷混合形成均匀复合材料,因此,陶瓷填充量对PVDF基复合材料的微波介电损耗影响不大,PTFE则与陶瓷间结合困难,随陶瓷含量增加,复合材料的介电损耗增加。陶瓷填充量40%～50%时,CLST/PVDF微波介电性能为εr=10.41～14.26,tanδ=2.1～2.2×10-3（～10GHz）,CLST/PTFE的微波介电性能为εr=7.92～10.87,tanδ=1.2～2.3×10-3（～10GHz）。（2）研究了不同含量CLST陶瓷与Ba(Mg1/3Nb2/3)O3（BMN）陶瓷填充对PTFE基复合材料介电性能的影响,发现介电常数与陶瓷种类、陶瓷含量的关系满足Rother-Lichtenecker公式,通过调节陶瓷种类与填充量可以调控复合材料的介电性能。当陶瓷体积含量过高时（>40%）,介电常数实际测试结果低于理论计算结果,介电损耗则明显高于理论计算值。这是由于陶瓷颗粒间直接接触导致团聚效应,造成PTFE与陶瓷颗粒间相互作用减弱并产生低介电的孔洞等第三相,大量界面缺陷产生导致的电导损耗。通过控制陶瓷颗粒的尺寸、球形度等参数可以非常好的提高陶瓷与PTFE的分散性,可采用Modified Rother-Lichtenecker公式拟合以及有限元Comsol模拟仿真进行说明。陶瓷填充量为50%时,复合材料的性能（～10GHz）为BMN/PTFE:εr=5.76,tanδ=1.4×10-3,CLST/PTFE:εr=10.87,tanδ=2.3×10-3。（3）采用异质共凝聚法制备复合材料,通过调节Zeta电位可以实现陶瓷粒子与聚合物的均匀复合,有利于降低由于界面缺陷存在而产生的电导损耗,通过表面带电量的精确计算可以实现复合材料中陶瓷含量的精确控制;机械共混法简单易操作,但是复合材料的均匀性难于控制。采用偶联剂、活性小分子以及PMMA表面原位接枝以及流体表面包覆等方法对陶瓷进行表面改性,改性后复合材料介电损耗明显降低,且高分子硅烷偶联剂、改性偶联剂与叠氮硅烷等改性效果比较明显。这是由于不同改性方法均在一定程度上起到了束缚界面由缺陷等引起的自由电荷等载流子的作用,减小了由漏电流造成的电导损耗,因此损耗降低;而部分改性剂改性效果比较明显,这可能主要与有更大几率与复合材料界面形成化学键合有关。（4）PTFE在19℃发生相变,分子结构由13/6螺旋变成15/7螺旋,出现比较明显的体积膨胀。在PTFE中引入CLST和玻纤GF,能够阻碍PTFE相变时的分子螺旋变化,可以明显的降低复合材料的热膨胀系数,且随无机填料含量的增加热膨胀系数进一步降低。研究表明,直径在1-5μm之间,长径比适中,具有较好柔韧性的玻纤,经过表面改性后可以获得与PTFE的较好相容性,玻纤含量5wt%时,可以实现较优的复合材料介电性能与热性能的综合调控。