CN113135667B - 一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，组成为：氧化硅，35.0质量份至48.0质量份；氧化铝，1.0质量份至5.0质量份；氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；氧化锆，0.5质量份至4.0质量份；氧化钬，1.8质量份‑3.0质量份；碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；澄清剂，0.1质量份至1.0质量份，所述澄清剂为氧化锡，本发明通过对上述原料质量份的限定，玻璃纤维实现了在1‑7GHz的高频率下具有高介电常数和低介电损耗的性能，同时降低了玻璃纤维密度，利于产品小型化、便携式应用。
Description
技术领域
本发明属于玻璃纤维材料技术领域，尤其是涉及一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维。
背景技术
为了满足市场需求，实现电子设备向小型化、高容量发展，使其方便携带，这就需要开发具有高储能密度、低损耗的的介电材料。目前用于此行业的玻璃纤维一般是E玻璃，其介电常数一般为6.5，已经无法满足电子设备的应用发展要求。
目前对于高介电玻璃纤维的研究中，一方面大部分实验研究均在1MHz 低频率下进行测试研发，由于介电常数会随着频率的变化而改变，因此此玻璃纤维在高频率下并不适用；另一方面，例如专利号201710801392.5，一种高介电常数低介电损耗的玻璃纤维，在7-8GHz高频率下，所得的介电常数大于10，介电损耗小于0.004，但是其专利成分中包含易挥发的氧化硼，对大气造成污染。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种在1-7GHz高频率下具有高介电常数、低介电损耗、环境友好型玻璃纤维。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，组成为：
氧化硅，35.0质量份至48.0质量份；氧化铝，1.0质量份至5.0质量份；氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；氧化锆，0.5质量份至4.0质量份；氧化钬，1.8质量份-3.0质量份；碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；澄清剂，0.1质量份至1.0质量份，所述澄清剂为氧化锡。
另外，本发明提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
上述技术方案中，一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，组成为：氧化硅，40.0质量份至45.0质量份；氧化铝，1.0质量份至3.0质量份；氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；氧化锆，1.0质量份至2.5质量份；氧化钬， 1.8质量份-3.0质量份；碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；氧化锡，0.1质量份至1.0质量份。
上述任一技术方案中，所述碱土金属氧化物包括：氧化钙，2.0质量份至2.5质量份；氧化锶，5.0质量份至10.0质量份；氧化钡，25.0质量份至35.0质量份。
上述任一技术方案中，所述氧化钬的添加量相比于氧化钛的添加量的比例范围小于或等于0.38。
与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果是：
通过上述原料质量份生产的玻璃纤维实现了在1-7GHz的高频率下高介电常数大于9.0，介电损耗小于0.0035，同时降低了玻璃纤维密度，利于产品小型化、便携式应用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的技术方案及技术方案中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体技术方案的限制。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行描述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的技术方案提供了一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，组成为：
氧化硅，35.0质量份至48.0质量份；氧化铝，1.0质量份至5.0质量份；氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；氧化锆，0.5质量份至4.0质量份；氧化钬，1.8质量份-3.0质量份；碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；澄清剂，0.1质量份至1.0质量份。
通过上述原料质量份的限定，生产的玻璃纤维实现了在1-7GHz的高频率下具有高介电常数和低介电损耗的性能，提高了玻璃纤维折射率，同时降低了玻璃纤维密度，利于产品小型化、便携式应用。
具体地，本技术方案中包括氧化硅，作为形成玻璃的网络生成体，可以理解地，本技术方案中的氧化硅为二氧化硅，本技术方案中的氧化硅以硅氧四面体的结构组成不规则的连续网络结构，该结构具有较高的键强，在外电场的作用下不易极化，也不易产生电导和松弛等损失，对玻璃纤维的介电常数、介电损耗、热膨胀系数等因素具有直接影响。
本技术方案进一步限定了氧化硅含量为35.0质量份至48.0质量份，当氧化硅含量低于35.0质量份时，不利于玻璃成形，且粘度太低，容易失透，当氧化硅含量高于48.0质量份时，降低了玻璃纤维的介电常数，本技术方案通过限定氧化硅的含量，进一步确保了玻璃纤维的高介电常数的性能，同时使玻璃纤维保持较低的产品密度。
本技术方案的一些实施方式中，氧化硅的含量还可以为39.1质量份、 41.0质量份、42.5质量份、43.5质量份、45.0质量份、46.0质量份、46.5 质量份等。
本技术方案中玻璃纤维还包括氧化铝，可以理解地，本技术方案中的氧化铝可以为三氧化二铝，三氧化二铝作为网络中间体，对玻璃纤维的稳定性起到重要作用，提高纤维成型温度与析晶温度之间的差值，有效降低玻璃纤维的析晶倾向。
本技术方案进一步限定了氧化铝的含量为1.0质量份至5.0质量份，当氧化铝含量低于1.0质量份时，降低了玻璃纤维的化学稳定性，影响玻璃纤维的使用性能，当氧化铝含量高于5.0质量份时，增加了玻璃纤维的粘度，析晶倾向增加，本技术方案通过限定氧化铝的含量，在保证玻璃纤维高介电常数和低介电损耗的前提下，避免了玻璃纤维的析晶，提高了玻璃纤维的使用性能。
本技术方案的一些实施方式中，氧化铝的含量还可以为1.5质量份、2.2 质量份、2.5质量份、2.7质量份、3.1质量份、3.6质量份、4.7质量份等。
本技术方案中玻璃纤维还包括氧化锆，可以理解地，本技术方案中的氧化锆为二氧化锆，二氧化锆作为网络外体，在硅酸盐玻璃中溶解度小，能显著增大玻璃的粘度，利于玻璃纤维成型。
本技术方案进一步限定了氧化锆的含量为0.5质量份至4.0质量份，当氧化锆的含量低于0.5质量份时，玻璃纤维粘度降低，无法成型，当氧化锆的含量高于4.0质量份时，增加玻璃析晶倾向和析晶温度，导致玻璃纤维粘度过高，难以形成纤维，本技术方案通过限定氧化锆的含量，保证了玻璃纤维的粘度，易于玻璃纤维成型。
本技术方案的一些实施方式中，氧化锆的含量还可以为1.1质量份、1.5 质量份、2.2质量份、2.7质量份、3.1质量份、3.5质量份、4.0质量份等。
本技术方案中玻璃纤维还包括碱土金属氧化物，可以理解地，碱土金属氧化物为氧化钙、氧化锶和氧化钡，一方面，碱土金属氧化物作为网络外体氧化物，在玻璃结构中起到填充网络空隙的作用，对玻璃纤维密度起到良好的调节作用，另一方面，玻璃纤维的介电常数主要与离子极化和离子迁移率有关，通过添加碱土金属氧化物，氧离子对阳离子最外层电子云发生较大变化，使其极化率增加，从而提高介电常数。
具体地，本技术方案中进一步限定了氧化钙的含量为2.0质量份至2.5 质量份，当氧化钙的含量低于2.0时，玻璃纤维密度低，降低了玻璃纤维的使用性能，当氧化钙的含量高于2.5质量份时，不利于提高介电常数。
本技术方案的一些实施方式中，氧化钙的含量还可以为2.0质量份、2.1 质量份、2.2质量份、2.3质量份、2.4质量份、2.5质量份等。
本技术方案中进一步限定了氧化锶的含量为5.0质量份至10.0质量份，当氧化锶的含量低于5.0质量份时，负二价氧离子对正二价锶离子的电子云的排斥能力较弱，因此负二价氧离子对正二价锶离子的外层电子云影响不大，极化率较低，介电常数小，当氧化锶的含量高于10.0质量份时，介电常数降低，同时玻璃纤维产生失透现象，密度增大。
本技术方案的一些实施方式中，氧化锶的含量还可以为5.8质量份、6.3 质量份、7.4质量份、7.6质量份、8.6质量份、8.8质量份、9.5质量份等。
本技术方案中进一步限定了氧化钡的含量为25.0质量份至35.0质量份，当氧化钡的含量低于25.0质量份时，负二价氧离子对正二价钡离子的外层电子云影响不大，极化率较低，介电常数小，当氧化钡的含量高于35.0质量份时，降低阳离子迁移率，从而降低了介电常数。
本技术方案的一些实施方式中，氧化钡的含量还可以为27.4质量份、 29.0质量份、30.0质量份、30.1质量份、31.2质量份、31.5质量份、32.0 质量份等。
本技术方案通过对碱土金属氧化物含量的限定，在保证玻璃纤维保持低密度的同时，具有较高的介电常数和介电损耗，尤其对氧化钡含量的限定，由于氧化钡的阳离子的半径较大，正二价钡离子的电子核上过剩的正电荷与负二价氧离子的电子云之间的相互作用力较强，使正二价钡离子的外层电子云发生较大变化，使其极化率变大，介电常数增加量高，因此能够弥补由于玻璃纤维密度降低而导致介电常数的下降。
本技术方案中玻璃纤维还包括氧化钛，可以理解地，本技术方案中的氧化钛可以为二氧化钛，二氧化钛作为过渡金属氧化物，具有很高的极化作用，用于提高玻璃纤维的介电常数。
本技术方案中进一步限定了氧化钛的含量为5.5质量份至10.0质量份，当氧化钛的含量低于5.5质量份时，降低玻璃纤维的化学稳定性，降低介电常数，当氧化钛的含量高于10.0质量份时，析晶温度升高，难以形成纤维。
本技术方案的一些实施方式中，氧化钛的含量还可以为6.3质量份、7.1 质量份、7.9质量份、8.0质量份、8.6质量份、9.2质量份、9.6质量份等。
本技术方案中玻璃纤维还包括氧化钬，可以理解地，本技术方案中的氧化钬可以为三氧化二钬，三氧化二钬作为掺杂剂进行添加，在有充足游离氧的情况下，正三价钬离子取代活泼性强的正四价钛离子进入到玻璃纤维内部，对玻璃纤维内部结构进行改性，提高玻璃纤维的化学稳定性，提高介电常数，降低介电损耗。
本技术方案中进一步限定了氧化钬的含量为小于或等于3.0质量份，当氧化钬的含量高于3.0质量份时，在1-7GHz的频率下，添加氧化钬对介电常数的增加影响较小，不利于介电常数的提高。
本技术方案的一些实施方式中，氧化钬的含量还可以为1.8质量份、2.2 质量份、2.3质量份、2.5质量份、2.8质量份、2.9质量份、3.0质量份等。
本技术方案中在保证玻璃纤维低密度的条件下，使其具有良好的高介电常数和低介电损耗，本技术方案进一步限定了氧化钬的添加量相比于氧化钛的添加量的比例范围小于或等于0.38，在此比例范围内，正三价钬离子能够取代较活泼的正四价钛离子，对玻璃纤维内部进行改性，提高其化学稳定性，提高介电常数，降低介电损耗。
本技术方案的玻璃纤维中还包括澄清剂氧化锡，可以理解地，本技术方案中的氧化锡为二氧化锡，二氧化锡作为还原型澄清剂，可以吸收玻璃纤维中残留的氧气，在此形成二氧化锡，降低气泡缺陷，提高玻璃纤维的品质。
实施例1
称取46.0质量份的氧化硅，2.7质量份的氧化铝，8.0质量份的氧化钛，2.4质量份的氧化钙，6.3质量份的氧化锶，30.1质量份的氧化钡， 1.5质量份的氧化锆，2.9质量份的氧化钬和0.1质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.42 克/立方厘米，介电常数为9.59，介电损耗为0.0035。
实施例2
称取43.5质量份的氧化硅，1.5质量份的氧化铝，7.1质量份的氧化钛，2.0质量份的氧化钙，7.6质量份的氧化锶，32.0质量份的氧化钡，3.5质量份的氧化锆，2.5质量份的氧化钬和0.3质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.58 克/立方厘米，介电常数为9.47，介电损耗为0.0035。
实施例3
称取41.0质量份的氧化硅，3.1质量份的氧化铝，8.6质量份的氧化钛，2.2质量份的氧化钙，8.6质量份的氧化锶，30.0质量份的氧化钡， 3.1质量份的氧化锆，2.8质量份的氧化钬和0.6质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.48 克/立方厘米，介电常数为9.31，介电损耗为0.0034。
实施例4
称取42.5质量份的氧化硅，4.7质量份的氧化铝，9.2质量份的氧化钛，2.4质量份的氧化钙，9.5质量份的氧化锶，27.4质量份的氧化钡， 1.1质量份的氧化锆，3.0质量份的氧化钬和0.2质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.43 克/立方厘米，介电常数为9.21，介电损耗为0.0035。
实施例5
称取39.1质量份的氧化硅，3.6质量份的氧化铝，9.6质量份的氧化钛，2.3质量份的氧化钙，7.4质量份的氧化锶，31.2质量份的氧化钡， 4.0质量份的氧化锆，2.3质量份的氧化钬和0.5质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.53 克/立方厘米，介电常数为9.30，介电损耗为0.0035。
实施例6
称取46.5质量份的氧化硅，2.2质量份的氧化铝，6.3质量份的氧化钛，2.5质量份的氧化钙，8.8质量份的氧化锶，29.0质量份的氧化钡，2.7质量份的氧化锆，1.8质量份的氧化钬和0.2质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.41 克/立方厘米，介电常数为9.01，介电损耗为0.0034。
实施例7
称取45.0质量份的氧化硅，2.5质量份的氧化铝，7.9质量份的氧化钛，2.1质量份的氧化钙，5.8质量份的氧化锶，31.5质量份的氧化钡， 2.2质量份的氧化锆，2.2质量份的氧化钬和0.8质量份的氧化锡，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1350-1450℃进行熔化，熔化后的样品在800℃下进行退火消除应力，然后切成长为2毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的密度为3.55 克/立方厘米，介电常数为9.25，介电损耗为0.0033。
对比实施例1
称取55.0质量份的氧化硅，14.8质量份的氧化铝，0.3质量份的氧化钛，23.0质量份的氧化钙,1.2质量份的氧化镁，5.0质量份的氧化硼， 0.4质量份的氟，将上述材料混合均匀后放入铂金坩埚中，在1400-1500 ℃进行熔化，熔化后的样品在630℃下进行退火消除应力，然后切成长为2 毫米，宽为2毫米，高为35毫米的样品，用网络矢量分析仪在1GHZ下进行测试。
具体地，按照上述原料质量份混合熔制的玻璃纤维材料的介电常数为 6.63，介电损耗为0.0053。
以上为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，其特征在于，组成为：
氧化硅，35.0质量份至48.0质量份；
氧化铝，1.0质量份至5.0质量份；
氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；
氧化锆，0.5质量份至4.0质量份；
氧化钬，1.8质量份-3.0质量份；
碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；
澄清剂，0.1质量份至1.0质量份，所述澄清剂为氧化锡；
所述氧化钬的添加量相比于氧化钛的添加量的比例范围小于或等于0.38。
2.根据权利要求1所述的一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，其特征在于，组成为：
氧化硅，40.0质量份至45.0质量份；
氧化铝，1.0质量份至3.0质量份；
氧化钛，5.5质量份至10.0质量份；
氧化锆，1.0质量份至2.5质量份；
氧化钬，1.8质量份-3.0质量份；
碱土金属氧化物，32.0质量份至47.5质量份；
氧化锡，0.1质量份至1.0质量份；
所述氧化钬的添加量相比于氧化钛的添加量的比例范围小于或等于0.38。
3.根据权利要求1所述的一种高介电常数低介电损耗玻璃纤维，其特征在于，所述碱土金属氧化物为：
氧化钙，2.0质量份至2.5质量份；
氧化锶，5.0质量份至10.0质量份；
氧化钡，25.0质量份至35.0质量份。
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