CN104130536A - 一种三相复合微带天线基板材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种三相复合微带天线基板材料，它由10～15质量分数的磁性填料和25～30质量分数的介电填料以及60质量分数的聚合物相复合而成；该磁性填料为尖晶石结构的四氧化三铁，分子式为Fe3O4，该介电填料为金红石二氧化钛，分子式为TiO2，该聚合物基体为聚四氟乙烯树脂PTFE。其制备方法有三大步骤：步骤一、复合材料制备；步骤二、冷压成型；步骤三、烧结固化。该复合基板材料制备工艺简单，免去了复杂的有机合成，抗机械冲击性能比常规陶瓷基板材料更好；采用本发明得到的复合基板材料作为微带天线基板，不仅有助于降低微带天线的重量和体积，而且有利于提高微带天线的带宽及辐射效率。

Description

一种三相复合微带天线基板材料及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种三相复合微带天线基板材料及其制备方法，属于电子材料技术领域。
背景技术
微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。其结构为在介质基片上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做成矩形、圆形或其它几何形状的金属薄片作辐射单元。天线的宽带特性、高增益以及小型化一直是困扰工程技术人员的主要难题。
目前，国内外微带介质天线常用材料为聚四氟乙烯、高介电常数陶瓷材料以及陶瓷填充聚合物复合材料。聚合物基板材料容易加工，但介电常数较低(2～3)，不利于实现小型化；陶瓷材料介电常数较高，如金红石TiO2介电常数为80，能够有效缩小微带天线的尺寸，但高介电材料易激起表面波，使天线带宽减小，降低天线辐射效率。陶瓷填充聚合物复合材料很大程度上消除了聚合物和陶瓷的弊端，其将聚合物的可加工性与陶瓷材料的高介电特性相结合，并在高频率下保持较低的介电损耗，得到了广泛应用。
然而，电磁波在介质中传播还面临着阻抗匹配的问题，既有一定磁导率又有一定介电常数的介质材料在阻抗匹配方面有着天然的优势，已有报道高分子磁性材料，在较宽温度范围内磁性能稳定，高频微波激励下具有低损耗，适用频率范围广。但磁性高分子材料的制备过程较复杂，且能耗高。磁性材料填充聚合物成为了一个新颖的方向。
发明内容
1、目的：针对以上技术背景，本发明的目的是提供一种三相复合微带天线基板材料及其制备方法。所述的微带天线复合基板材料为尖晶石结构四氧化三铁、金红石二氧化钛共同填充热固性树脂聚四氟乙烯材料的一种三相复合新型材料，在100MHz～1GHz的频率范围内具有一定的磁介性和低损耗性(介电常数在2～10，磁导率在1～5左右，1GHz下介电损耗0～0.1，磁损耗0～0.1)；同时，该复合基板材料制备工艺简单，免去了复杂的有机合成，具有一定的柔韧性，抗机械冲击性能比常规陶瓷基板材料更好。采用本发明得到的复合基板材料作为微带天线基板，不仅有助于降低微带天线的重量和体积，而且有利于提高微带天线的带宽及辐射效率。
2、技术方案：
1)一种三相复合微带天线基板材料，由10～15质量分数的磁性填料和25～30质量分数的介电填料以及60质量分数的聚合物相复合而成。所述磁性填料为尖晶石结构的四氧化三铁，分子式为Fe3O4，介电材料为金红石二氧化钛，分子式为TiO2，聚合物基体为聚四氟乙烯(PTFE)树脂。
其中，PTFE粉末在运输过程中，容易聚集成团，致使混料时发生困难，无法将无机物均匀分散于有机物中，因此，在使用前，要用粉碎方法进行预处理。根据聚合物的特性，在低温下，分子链的活动性降低，相互之间的吸引力下降，粉末的表面张力增大有利于分散，因此，需将PTFE放入冰箱进行冷冻处理，使用时取出来，过40目筛，并在真空干燥箱中进行干燥处理，使水分挥发，过筛力度小。
2)一种三相复合微带天线基板材料制备方法，其制备过程通过以下步骤实现：
步骤一：复合材料制备
三相复合材料体系，首先需要制备填料复合材料。第一步，以酒精为介质，先将称量好的Fe3O4和TiO2加入到球磨罐中，球磨时间为2～8小时，速率为200～500rpm/min。之后将混合好的物料倒出，放入烘箱干燥1～5h，使酒精挥发，以备称量。第二步，按配方称量，将球磨后的复合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介质，用超声振动加手动搅拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成复合介质材料。最后，放入烘箱干燥1～5h，干燥过程中禁止搅拌，否则聚四氟乙烯的纤维结构在高温下受力会发生团聚，影响复合材料的均匀性。
步骤二：冷压成型
将复合粉料均匀填入模腔中，压制使用的模具直径为18mm，压力为10～15MPa。所压样品厚度控制在1～2mm，压制时采用单面加压，压力必须缓慢而均匀地增加，压力达到最大值后，要保压5～10min。卸压时先把压力缓慢降至最大压力的80％，保压1～5min，然后将压力完全撤去。脱模，修除样品表面上的毛刺。环状样品的制备，需定制环状的模具，若无可先加工成圆柱状，再在车床上打孔，内径为6mm。
步骤三：烧结固化
本实验采用可通保护气体的管式烧结炉，可调节升温速率及保温时间。烧结的目的是使聚合物分子链发生交联固化，更好的包裹无机填料。实验采用的升温曲线为：先以80～100℃/h的速率升温到200℃左右，不保温，再以80～150℃/h的升温速率升到最高温度，保温1～2h。最后，随炉自然冷却。
PTFE熔点是327℃，热分解温度在370～400℃，温度在415℃上发生分解并释放剧毒气体，因此严格控制加工最高温度(<400℃)；烧结升温阶段应严格控制升温速率，若升温速度太快，压件内部受热不均匀容易发生样品变形。升温速率和烧结时间，随压件的形状和尺寸而变化。由于本实验Fe3O4在加热过程中容易发生氧化生成Fe2O3，因此，整个烧结过程在惰性气体中进行，本实验保护气为氩气。
经过以上步骤，就可以得到本发明所述的微带天线复合基板材料，经测试，该材料在100MHz～1GHz的频率范围内，磁导率和介电常数的乘积在8～20左右，介电常数在2～10，磁导率在1～5，1GHz下介电损耗0～0.1，磁损耗0～0.1。
3、优点及功效：
本发明提供的低频段微带天线基板材料的主要优点在于在100MHz～1GHz频段内，基板材料同时具有磁性和介电特性的双复特性，其磁导率和介电常数的乘积在8～20之间，且磁导率的截止频率高于1GHz。采用该材料作为微带基板天线，既可缩小微带天线的尺寸和体积，同时一定程度上实现天线基板与空气的阻抗匹配，从而提升天线的工作带宽和辐射效率。本发明的材料配方设计和制备工艺方案，有利于实现材料的低损耗特性，但在高频下损耗值偏高，需改进配方和工艺条件，降低损耗以提高基板的适用性和天线的辐射效率。
附图说明
图1为本发明提供的微带天线基板材料的制备方法流程示意图。
图2为本发明提供的微带天线基板材料的介谱测试曲线图。
图3为本发明提供的微带天线基板材料的磁谱测试曲线图。
图4为本发明提供的微带天线基板材料的比介电损耗频率频谱测试曲线图。
图5为本发明提供的微带天线基板材料的比磁损耗频率频谱测试曲线图。
具体实施方式
见图1—图5，本发明一种三相复合微带天线基板材料，一种三相复合微带天线基板材料，由10～15质量分数的磁性填料和25～30质量分数的介电填料以及60质量分数的聚合物相复合而成。所述磁性填料为尖晶石结构的四氧化三铁，分子式为Fe3O4，介电材料为金红石二氧化钛，分子式为TiO2，聚合物基体为聚四氟乙烯树脂即PTFE。
本发明一种三相复合微带天线基板材料的备方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：复合材料制备
三相复合材料体系，首先需要制备填料复合材料。第一步，以酒精为介质，先将称量好的Fe3O4和TiO2加入到球磨罐中，球磨时间为4小时，速率为400rpm/min。之后将混合好的物料倒出，放入烘箱干燥3h，使酒精挥发，以备称量。第二步，按配方称量，将球磨后的复合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介质，用超声振动加手动搅拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成复合介质材料。最后，放入烘箱干燥3h，干燥过程中禁止搅拌，否则聚四氟乙烯的纤维结构在高温下受力会发生团聚，影响复合材料的均匀性。
步骤二：冷压成型
将复合粉料均匀填入模腔中，压制使用的模具直径为18mm，压力为15MPa。所压样品厚度控制在2mm，压制时采用单面加压，压力必须缓慢而均匀地增加，压力达到最大值后，要保压10min。卸压时先把压力缓慢降至最大压力的80％，保压5min，然后将压力完全撤去。脱模，修除样品表面上的毛刺。环状样品的制备，需定制环状的模具，若无可先加工成圆柱状，再在车床上打孔，内径为6mm。
步骤三：烧结固化
本实验采用可通保护气体的管式烧结炉，可调节升温速率及保温时间。烧结的目的是使聚合物分子链发生交联固化，更好的包裹无机填料。实验采用的升温曲线为：先以100℃/h的速率升温到200℃左右，不保温，再以150℃/h的升温速率升到最高温度，保温2h。最后，随炉自然冷却。
PTFE熔点是327℃，热分解温度在370～400℃，温度在415℃上发生分解并释放剧毒气体，因此严格控制加工最高温度(<400℃)；烧结升温阶段应严格控制升温速率，若升温速度太快，压件内部受热不均匀容易发生样品变形。升温速率和烧结时间，随压件的形状和尺寸而变化。由于本实验Fe3O4在加热过程中容易发生氧化生成Fe2O3，因此，整个烧结过程在惰性气体中进行，本实验保护气为氩气。

Claims (3)

1.一种三相复合微带天线基板材料，其特征在于：它由10～15质量分数的磁性填料和25～30质量分数的介电填料以及60质量分数的聚合物相复合而成；该磁性填料为尖晶石结构的四氧化三铁，分子式为Fe3O4，该介电填料为金红石二氧化钛，分子式为TiO2，该聚合物基体为聚四氟乙烯树脂PTFE。
2.一种三相复合微带天线基板材料制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：复合材料制备
第一步，以酒精为介质，先将称量好的Fe3O4和TiO2加入到球磨罐中，球磨时间为2～8小时，速率为200～500rpm/min；之后将混合好的物料倒出，放入烘箱干燥1～5h，使酒精挥发，以备称量；第二步，按配方称量，将球磨后的复合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介质，用超声振动加手动搅拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成复合介质材料，最后，放入烘箱干燥1～5h，干燥过程中禁止搅拌，否则聚四氟乙烯的纤维结构在高温下受力会发生团聚，影响复合材料的均匀性；
步骤二：冷压成型
将复合粉料均匀填入模腔中，压制使用的模具直径为18mm，压力为10～15MPa；所压样品厚度控制在1～2mm，压制时采用单面加压，压力必须缓慢而均匀地增加，压力达到最大值后，要保压5～10min；卸压时先把压力缓慢降至最大压力的80％，保压1～5min，然后将压力完全撤去，脱模，修除样品表面上的毛刺；环状样品的制备，需定制环状的模具；若无模具先加工成圆柱状，再在车床上打孔，内径为6mm；
步骤三：烧结固化
采用能通保护气体的管式烧结炉，调节升温速率及保温时间，烧结的目的是使聚合物分子链发生交联固化，更好的包裹无机填料；实验采用的升温曲线为：先以80～100℃/h的速率升温到200℃左右，不保温，再以80～150℃/h的升温速率升到最高温度，保温1～2h，最后，随炉自然冷却；
PTFE熔点是327℃，热分解温度在370～400℃，温度在415℃上发生分解并释放剧毒气体，因此严格控制加工最高温度<400℃；烧结升温阶段应严格控制升温速率，若升温速度太快，压件内部受热不均匀容易发生样品变形；升温速率和烧结时间，随压件的形状和尺寸而变化，由于Fe3O4在加热过程中容易发生氧化生成Fe2O3，因此，整个烧结过程在惰性气体中进行，保护气采用氩气。
3.根据权利要求1所述的一种三相复合微带天线基板材料，其特征在于：PTFE粉末在运输过程中，容易聚集成团，致使混料时发生困难，无法将无机物均匀分散于有机物中，因此，在使用前，将PTFE放入冰箱进行冷冻处理，使用时取出来，过40目筛，并在真空干燥箱中进行干燥处理，使水分挥发，过筛力度小。
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