[发明专利]一种陶瓷-聚合物复合微波材料及其制备和应用方法

说明书

技术领域

本发明属于微波介质材料制造领域，特别涉及一种陶瓷-聚合物复合微波材料及其制备和应用方法。

背景技术

近年来，随着移动通讯、无线宽带网络、卫星导航等技术的快速发展，民用取代军用成为微波技术的主要应用领域，小型化、高性能、低成本成为微波产品发展的主要趋势。

微波器件的小型化需要微波介质材料具有较高的介电常数，而高性能化则需要微波介质材料具有低的介电损耗（即高品质因数）以保证信号的完整性和微波器件的灵敏度，通常希望材料损耗低于千分之一。目前低损耗的微波介质陶瓷材料和树脂材料在微波基板、微波天线、滤波器、谐振器、巴伦等产品上得到广泛应用。微波陶瓷材料具有较高的介电常数（6-100）、较低的介电损耗和温度稳定性好等优点，但脆性大，加工工艺复杂，主要用于制作小尺寸高性能的微波元件（如手机天线、卫星导航天线、介质滤波器、谐振器等）。微波树脂材料（如聚四氟乙烯、聚酰亚胺等）具有韧性好，易加工等优点，在微波基板、微带天线上得到广泛应用，但其介电常数小（2-3左右），不利于产品的小型化。陶瓷-聚合物复合材料，可以将微波陶瓷良好的电性能与聚合物的机械韧性、可加工性相结合，提高了复合材料的综合性能，因此开发易加工，介电常数能达到10左右的低损耗(小于千分之一)陶瓷-聚合物复合微波介质材料具有较大的实际应用意义，特别是在微波天线应用方面。

目前商品化的陶瓷-聚合物复合材料主要采用聚四氟乙烯作为基体，二氧化钛、钛酸钙、堇青石等陶瓷作为填料，其介电常数在3-10左右，介电损耗大都超过千分之一，主要用于微波基板。聚四氟乙烯具有较低的介电损耗(万分之一左右，10GHz),但加工温度高(360℃左右)，熔体流动性差，通常采用冷压模塑成型或固化成型加工工艺，其加工成型工艺性能差。高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）微波损耗小（10GHz频率下万分之三左右），加工温度较低，特别适合于作为聚合物基质相制备低损耗陶瓷-聚合物复合材料，目前大多采用传统的机械混合制备方法。George等人在International Journal of Applied Ceramic Technology,Vol7,No.4（2010）上报道了采用传统的机械混合制备方法、以Li₂MgSiO₄(介电常数为5.1)为陶瓷相、高密度聚乙烯（HDPE）和聚笨乙烯（PS）为聚合物相的陶瓷-聚合物复合材料，其陶瓷相的体积含量为50%时，复合材料的介电常数小于5、介电损耗为0.02，高的介电损耗不能满足微波天线等的应用要求。G.Subodh等人在Applied Physics Letters95,062903(2009)上报道采用传统的机械混合制备方法、以高介电常数的Sr₉Ce₂Ti₁₂O₃₆为陶瓷相、环氧树脂及高密度聚乙烯（HDPE）为聚合物相的陶瓷-聚合物复合材料，在陶瓷相体积含量为40%时，复合材料在10GHz频率下的介电常数虽然可达12，但介电损耗高于0.004。可见，采用传统的机械混合制备方法不能获得高介电常数、低介质损耗的聚乙烯、聚苯乙烯基陶瓷-聚合物复合材料。

挤出成型是热塑性树脂共混最常用的低成本、大批量生产的加工工艺，特别是锥形双螺杆挤出，可在较大剪应力作用下，实现填料和树脂界面的充分接触，均匀混合，从而大大改善复合物的性能。高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）加工温度较低（低于200℃），熔体流动性好，很适合挤出成型。采用共混挤出成型工艺可获得高成型密度、高陶瓷相体积含量的陶瓷-聚合物复合材料，可望获得高介电常数、低介质损耗、加工性能良好的陶瓷-聚合物复合微波材料。

本发明的目的是为了克服现有陶瓷-聚合物复合微波材料的低介电常数和高损耗的缺点，以高介电常数的陶瓷材料为分散相、低损耗的高密度聚乙烯（HDPE）和聚苯乙烯（PS）为基体材料，采用陶瓷颗粒表面改性、聚合物包裹、共混挤出工艺制备有较高介电常数（3-13）、低微波损耗（小于千分之一）的适用于微带天线、微波基板等应用的陶瓷-聚合物复合微波介质材料。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种陶瓷-聚合物复合微波材料及其制备和应用方法。