DE112019000941B4

DE112019000941B4 - Polytetrafluorethylen-Hexaferrit-Verbundwerkstoffe

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Publication number: DE112019000941B4
Application number: DE112019000941.9T
Authority: DE
Inventors: Allen F. Horn III; Patricia A. LaFrance; Christopher J. Caisse; Karl Edward Sprentall
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: TWI773882B; KR20200124653A; CN111742381B; GB2585299A; CN111742381A; DE112019000941T5; US20190264005A1; JP2021515387A; JP7007489B2; KR102396967B1; US10947367B2; WO2019164732A1; GB202013263D0; GB2585299B; TW201936745A

Abstract

Ein Hexaferrit-Verbundwerkstoff, umfassend:Polytetrafluorethylen; undgrößer oder gleich 40 Vol% einer Mehrzahl von Co2Z -Hexaferritpartikeln, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co2Z -Hexaferritpartikeln auf einer porenfreien Basis;wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Porosität von mehr als oder gleich 10 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, aufweist;wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Permeabilität von größer als oder gleich 2,5 und ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von größer als oder gleich 0,4 aufweist, die beide bei 500 MHz bestimmt werden; undwobei die Permeabilität und die Permittivität in einer koaxialen Luftleitung von 25 mm mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden.

Description

HINTERGRUND
Magneto-dielektrische Materialien, d.h. Materialien mit einer relativen Permeabilität und einer relativen Permittivität größer als eins, sind seit den frühen Tagen des AM-Radios von großem Interesse für Antennenkonstrukteure. Das Hauptinteresse an diesen Materialien wurde durch die Notwendigkeit der Antennenminiaturisierung getrieben. Die Größe einer Resonanzantenne ist eine Funktion der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle bei ihrer Resonanzfrequenz. Im freien Raum (einem Vakuum) ist die Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Welle durch die Lichtgeschwindigkeit c definiert, dividiert durch die Frequenz f der Welle, wie in Gleichung [1] gezeigt. $λ= c/f$
Wenn sich eine elektromagnetische Welle durch ein isolierendes Medium mit einer relativen Permittivität ausbreitet, ε_r (hier lediglich als Permittivität bezeichnet) und/oder einer relativen Permeabilität, µ_r (hier auch nur als Permeabilität bezeichnet) größer als eins, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert und die Wellenlänge als Funktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Material berechnet, wie in Gleichung [2] gezeigt. $λ= c/f \sqrt{(ε_{r} μ_{r})}$
In Gleichung [2], $\sqrt{(ε_{r} μ_{r})}$
[3] findet sich die Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle durch das Medium. Dieser Begriff kann auch als Miniaturisierungsfaktor bezeichnet werden. Das Medium hat auch eine intrinsische Impedanz, die das Verhältnis des elektrischen Feldes zur magnetischen Flussdichte für eine transversal-elektrisch-magnetische Welle ist, die sich durch das Medium ausbreitet. Die intrinsische Impedanz, Z, des Mediums kann berechnet werden aus dem Verhältnis von relativer Permeabilität zu relativer Permittivität, multipliziert mit der intrinsischen Impedanz des freien Raums, $\sqrt{(\frac{μ_{0}}{ε_{0}})}$
[4], wie in Gleichung [5] gezeigt. $Z = \sqrt{(\frac{μ_{0}}{ε_{0}}) (\frac{μ_{r}}{ε_{r}})}$
Aus den Grundlagen der Wellenausbreitung ist bekannt, dass beim Auftreffen einer laufenden Welle auf eine Impedanzdiskontinuität eine Reflexion auftritt. Aus der Auswertung von Gleichung [4] und Gleichung [5] geht jedoch hervor, dass, wenn µ_r = ε_r dann ergibt sich Gleichung [6]. $\sqrt{(\frac{μ_{0}}{ε_{0}}) (\frac{μ_{r}}{ε_{r}})} = \sqrt{(\frac{μ_{0}}{ε_{0}})}$
So wird deutlich, dass, während sowohl eine hohe relative Permittivität als auch eine hohe relative Permeabilität verwendet werden können, um ein Material zu schaffen, das einen hohen Miniaturisierungsfaktor aufweist, ein Material mit gleicher relativer Permittivität und relativer Permeabilität einen großen Miniaturisierungsfaktor ermöglicht, während gleichzeitig eine intrinsische Impedanz gleich der des freien Raums beibehalten wird. Der vorgeschlagene Vorteil dieser Anpassung der intrinsischen Impedanz für ein Antennendesign ist ein verbesserter Wirkungsgrad und eine verbesserte Bandbreite. Die genaue Beziehung zwischen Permeabilität, Permittivität und Antennenbandbreite ist eine Funktion des Antennendesigns. Eine viel zitierte Beziehung ist jedoch die von Hansen und Burke im Jahr 2000 abgeleitete Gleichung [7] (Hansen, R. C. und Mary Burke. „Antennen mit Magneto-Dielektrikum“. Mikrowellen- und optische Technologie Briefe 26.2 (2000): 75-78). Hansen und Burke ziehen daraus eine wichtige Schlussfolgerung: „Es ist wichtig zu beachten, dass im Gegensatz zu ε, µ die Patch-Bandbreite nicht verringert. Ein solches Substrat hat einen wichtigen Vorteil: Die Patch-Resonanzlänge wird um √µ verkürzt, so dass ein viel kürzerer (und kleinerer) Patch die gleiche Bandbreite hat wie ein Patch nur mit ε“. In Gleichung [7] bezeichnet λ₀ die Freiraum-Wellenlänge und t ist gleich der gebrochenen Bandbreite bei einem Verhältnis von Spannung zu Stehwellen (VSWR) von 2:1. $\frac{96 \sqrt{((\frac{μ_{r}}{ε_{r}})) t/ λ_{0}}}{\sqrt{2} [4 + 17 \sqrt{(μ_{r} ε_{r})}]}$
Magnetisch permeable Materialien zum Einbau in polymere Matrizen lassen sich in zwei grundlegende Kategorien unterteilen: ferromagnetische Metalle und Eisenoxidkeramiken, die als „Ferrite“ bezeichnet werden. Innerhalb dieser Materialklassen sind den Fachleuten mehrere Auswahlkriterien bekannt. Magnetische Materialien unterliegen frequenzabhängigen, elektromagnetischen Eigenschaften, in erster Linie einer Frequenzabhängigkeit der realen und imaginären Permeabilität. Den Fachleuten ist bekannt, dass ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien einer Beschränkung unterliegen, die zuerst von Snoek beschrieben wurde, dem so genannten Snoek'schen Gesetz, das in Gleichung [8] dargestellt ist. Das Snoek'sche Gesetz besagt, dass das Produkt der Anfangspermeabilität, µ' - 1, und ferromagnetische Resonanzfrequenz (definiert als die Spitze der imaginären Permeabilität), F_o, ein konstanter Wert ist, der zwei Drittel des gyromagnetischen Verhältnisses, γ4π, entspricht, multipliziert mit der magnetischen Sättigung, M_S. Eine allgemeine Regel ist, um eine niedrige magnetische Verlusttangente zu erreichen, muss die ferromagnetische Resonanzfrequenz wesentlich höher als die maximale Betriebsfrequenz sein. Typischerweise wird unter „wesentlich höher“ verstanden, dass die ferromagnetische Resonanz drei- bis fünfmal höher sein muss als die maximal gewünschte Betriebsfrequenz. $(μ' - 1) * F_{o} = \frac{2}{3} γ4 π M_{S}$

Aus der Auswertung des Snoek'schen Gesetzes wird deutlich, dass es zur Erzielung einer hohen maximalen Betriebsfrequenz wünschenswert ist, mit einem Material zu beginnen, das einen hohen 4πM_S-Wert hat. Die 4πM_S-Werte einiger bekannter magnetischer Materialien sind in Tabelle A aufgeführt.

Tabelle A
Material	4πM_S (1 :10.000 Tesla, entspricht Gauss)
Co₂Z Hexaferrit	4.000
NiZn-Ferrit	6.000
Permendur (Eisen-Kobalt)	24.000
Sendust (Eisen-Silizium)	20.100
Eisenreiche Permalloy (45/55)	16.000
NiMoFe (Super-Permalloy)	8.000
Eisenoxid (Fe₃O₄)	4.500
NiFe (Permalloy) 80/20	7.500
mu Metall (Ni, Fe, Cu, Cr)	8.000
Eisen	20.000
Kobalt	18.000
Nickel	6.200

Daraus wurde von Fachleuten angenommen, dass die Verwendung von ferromagnetischen Metallen wie Eisen, Eisen-Nickel-Legierung, Eisen-Silizium-Legierung oder Eisen-Kobalt-Legierung vorteilhaft gewesen wäre, um eine hohe Permeabilität bei hoher Frequenz zu erreichen. Bei der Einarbeitung in eine Polymermatrix zur Bildung eines Verbundwerkstoffs wurde festgestellt, dass diese Materialien zwar eine hohe Permeabilität für eine hohe Frequenz aufweisen, jedoch in mindestens drei Bereichen Mängel aufweisen, wie in Tabelle B dargestellt, wo die magnetischen Füllstoffe in den entsprechenden Volumenprozent im wärmehärtenden Kohlenwasserstoff-Harzsystem, wie in U.S. Patent US 5 223 568 A beschrieben, zugesetzt wurden. Erstens zeigt Tabelle B, dass die relative Permittivität bei 500 Megahertz (MHz) von Verbundwerkstoffen, die ferromagnetische Metalle enthalten, wesentlich höher ist als die von Verbundwerkstoffen, die Metalloxide enthalten. Zweitens ist die dielektrische Verlusttangente bei 500 MHz zu hoch für die praktische Anwendung. Drittens und schließlich ist die magnetische Verlusttangente bei 500 MHz relativ zur ferromagnetischen Resonanzfrequenz hoch.

Tabelle B
Material	4πM_S (1:10.000 Tesla, entspricht Gauss)	Volu men Prozent	Relative Permeabilität	Relative Permittivität	Magnetische Verlusttangente	Dielektrische Verlusttangente
Co₂Z Hexaferrit (Trans Tech TTZ500)	4.000	60	2,5	6	0,05	0,003
NiZn-Ferrit (Trans Tech TT2 111R)	5.000	40	3,1	5	0,36	0,03
LiNiZn-Ferrit (Trans Tech Ferrite 50)	3.700	40	3,6	12	0,38	0,24
Eisenoxid (Fe₃O₄)	4.500	40	1,6	17	0,027	0,44
NiFe (Permalloy) 80/20	7.500	30	3,0	32	0,042	0,36
Eisen	20.000	60	7,0	22	0,13	0,04
Kobalt	18.000	40	2,1	8	0,072	0,012

Spinellferrite sind die am häufigsten hergestellten „weichen“ magnetischen Oxide. Innerhalb der Klasse der weichen Spinellferrite werden zwei primäre Materialfamilien verwendet, Mangan-Zink-Ferrit (MnZn-Ferrit) und Nickel-Zink-Ferrit (NiZn-Ferrit). Mangan-Zink-Ferrit wird typischerweise in Leistungsanwendungen, wie z.B. im Induktor- und Transformatorkern, verwendet. Es hat eine relative Permeabilität von 500 und 15.000, mit einer Grenzfrequenz von 1 bis 10 MHz. Aufgrund seiner niedrigen Grenzfrequenz ist es kein praktikabler Kandidat für die Verwendung in sehr hochfrequenten (VHF) oder ultrahochfrequenten (UHF) Magneto-Dielektrika. Nickel-Zink-Ferrit wird typischerweise in Leistungsinduktor- und Transformatorkernen sowie in Mikrowellen-Transformatorkernen verwendet. Es hat typischerweise eine relative Permeabilität von 20 bis 3.500 und eine Grenzfrequenz von weniger als 300 MHz. Aufgrund seiner niedrigen Grenzfrequenz ist es kein praktikabler Kandidat für magneto-dielektrische UHF-Materialien. Magnetit, Fe₃O₄ war das erste magnetische Oxid, das entdeckt wurde, und ist ein natürlich vorkommendes Material. Es weist typischerweise eine niedrige Grenzfrequenz und einen niedrigen spezifischen Widerstand auf, was seine Anwendbarkeit auf verlustarme magneto-dielektrische Materialien einschränkt.
Hexagonale Ferritmaterialien, „Hexaferrite“, sind eine Klasse von ferrimagnetischen Materialien, die erstmals in den 1950er Jahren von der Phillips Corporation hergestellt wurden. Sie weisen eine magnetokristalline Anisotropie (und ein „inneres Anisotropiefeld“) auf, wobei jede Phase des hexagonalen Ferrits ein inneres Anisotropiefeld aufweist, das zu einem großen Teil ihre magnetischen Eigenschaften definiert. Typischerweise versteht man, dass die relative Permeabilität eines hexagonalen Ferrits umgekehrt proportional zum Anisotropiefeld ist, dass aber die Grenzfrequenz proportional zum Anisotropiefeld ist.
Es gibt drei Phasen des Hexaferrits, die kommerziell hergestellt wurden und für die Verwendung in magneto-dielektrischen Verbundwerkstoffen zur Verfügung stehen: M, Y und Z. Hexaferrite der Y- und Z-Phase werden oft mit ihrer Phase und ihrem Übergangsmetall bezeichnet. Zum Beispiel wird Kobalt Z-Phasen-Hexaferrit allgemein als Co₂Z-Hexaferrit oder richtiger als Co₂Z-Ferrit bezeichnet. M-Phasen-Hexaferrit hat die Grundformel BaFe₁₂O₁₉. Die M-Phase des Hexaferrits ist der am häufigsten hergestellte Hexaferrit, weist typischerweise eine hohe Koerzitivkraft auf und wird im Allgemeinen als hartmagnetisches Material eingestuft, das keine wesentliche reale relative Permeabilität aufweist. Es wird typischerweise als BaM, Bariumhexaferrit, oder SrM, Strontiumhexaferrit, bezeichnet. Es ist als eines der kostengünstigsten Magnetmaterialien in der Herstellung bekannt und findet Verwendung in Niedrigenergie-Permanentmagneten und Mikrowellenabsorbern. Reiner M-Phasen-Hexaferrit hat eine ferromagnetische Resonanzfrequenz von 45 bis 50 Gigahertz (GHz), aber eine relative Permeabilität nahe eins. Aufgrund seiner niedrigen realen Permeabilität ist es keine praktikable Option zur Herstellung verlustarmer Magneto-Dielektrika.
Y-Phasen-Hexaferrit hat die grundlegende chemische Formel Ba₂Me₂ Fe₁₂O₂₂, wobei Me ein Übergangsmetall ist, typischerweise Kobalt, Magnesium oder Zink. Im Vergleich zu anderen verfügbaren Hexaferriten weisen Y-Phasen-Hexaferrite typischerweise eine niedrigere Sättigungsmagnetisierung als Co₂Z- oder BaM-Hexaferrite, ein niedrigeres Anisotropiefeld als M-Phasen-Hexaferrite und ein höheres Anisotropiefeld als Z-Phasen-Hexaferrite auf. Ideale Co₂Y-Hexaferrite sollten eine ferromagnetische Resonanz von etwa 5,7 GHz mit einer ungefähren relativen Permeabilität von vier aufweisen. Praktisch nachgewiesene Co₂Y-Ferrite weisen eine relative Permeabilität von etwa 3 auf, mit einer ferromagnetischen Resonanzfrequenz von etwa 3 GHz. In der Forschungsliteratur beschriebene Y-Ferrite weisen eine relative Permittivität zwischen zehn und fünfundzwanzig auf. Das Verhältnis von Permittivität zu Permeabilität von mehr als drei macht sie zu ungeeigneten Kandidaten für hochohmige magneto-dielektrische Verbundwerkstoffe. Z-Phasen-Hexaferrit hat die Grundformel Ba₃Me₂Fe₂₄O₄₁, wobei Me ein Übergangsmetall ist, typischerweise Kobalt, Zink oder Titan. Im Vergleich zu anderen verfügbaren Hexaferriten weisen Z-Phasen-Hexaferrite typischerweise eine niedrigere Sättigungsmagnetisierung als M-Phasen-Hexaferrite, aber eine höhere als Y-Phase auf, mit einem niedrigeren internen Anisotropiefeld als beide Materialien. Die Bildung einer reinen Z-Phase des Hexaferrits gilt als äußerst schwierig, daher enthalten Materialien, die als Z-Phasen-Hexaferrite bezeichnet werden, oft kleine Mengen an Sekundärphasen, typischerweise M, Y oder W. Idealer Co₂Z-Hexaferrit hat eine Grenzfrequenz von etwa 3,4 GHz und eine relative Permeabilität von etwa neun, aber in der Praxis ist die Grenzfrequenz dramatisch niedriger, etwa 1 GHz. Z-Typ-Ferrite haben typischerweise relative Permittivitätswerte im Bereich von 7 bis 20, was sie zu einem brauchbareren Kandidaten für hochohmige magneto-dielektrische Materialien macht. Substitutionen, die zur Erhöhung der relativen Permeabilität von Z-Typ-Hexaferriten genutzt werden können, erhöhen jedoch typischerweise auch die relative Permittivität des Materials, und das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität in Hexaferrit-Materialien ist im Allgemeinen nicht größer als 1,1. Während Z-Phasen-Hexaferrite ein Kandidat für magneto-dielektrische Verbundwerkstoffe mit hoher Impedanz sind, muss die Beschränkung von ungefähr gleicher Permeabilität und Permittivität überwunden werden, um eine Impedanz zu erreichen, die ungefähr gleich dem freien Raum ist.
Das chinesische Patent CN 1 04 193 224 B offenbart ein Substrat, das 45 bis 55 Gewichtsprozent (Gew.-%) Co₂Z-Ferrit in Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält. Auf einer lunkerfreien Basis entsprechen diese Werte 25 Volumenprozent (Vol%) bzw. 33 Vol%. Das Co₂Z-Ferritpulver in diesem Patent hat eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 Mikrometer, das mit PTFE-Pulver und Ethanol gemischt wird. Die nasse Mischung wird dann getrocknet und die PTFE-Ferrit-Verbundmischung wird bei einem Druck von 10 MPa und einer maximalen Temperatur von 360 Grad Celsius (°C) geformt. Dieses Formverfahren führte zu einem Substrat mit einer relativen Permeabilität von 2,8 bis 3,8 und einer relativen Permittivität von 6,5 bis 8,0. Der Verbundstoff erreicht jedoch keine guten Werte für das Verhältnis der relativen Permeabilität zur relativen Permittivität.
Das chinesische Patent CN 1 03 304 186 B offenbart ein Substrat, das 85 bis 90 Gew.-% Co₂Z-Ferrit in Polyimid enthält, wobei das Substrat des '186-Patents eine relative Permeabilität von 2,5 bis 4,5 und eine relative Permittivität von 7,0 bis 9,0 hatte. U. S. Patent US 7 976 720 B2 offenbart eine Magnetfolie, die 83 bis 98 Gew.-% Fe-Si in einem PTFE-Bindemittel und ein Trockenpulver-Mischverfahren enthält, das Lösungsmittel eliminiert, um die Porosität zu verringern und so die Permeabilität zu erhöhen.
In der WO 2016/149465 A1 ist ein magneto-dielektrisches Substrat beschrieben, umfassend eine dielektrische Polymermatrix und eine Vielzahl von Hexaferrit-Teilchen, die in der dielektrischen Polymermatrix dispergiert sind, zur Verwendung in dielektrischen Substraten mit optimalen magnetischen und dielektrischen Eigenschaften bei Frequenzen von mehr als 500 Megahertz (MHz).
U. S. Patent US 8 641 918 B2 offenbart ein Substrat, das aus reduzierten Carbonyleisenflocken mit einem Seitenverhältnis von mehr als 10 besteht und eine negative Permeabilität bei ferromagnetischer Resonanz aufweist. Die „Zugabe von Graphit oder anderen leitfähigen Materialien zur Erhöhung ihrer Permittivität und offenbart auch, dass ihre Substrate einen sehr hohen Verlust von ε''/ ε' von 0,3 bis 1,0 aufweisen und µ''/ µ' von 0,1 bis 1,0 bei 500 MHz, wie aus den und und den und geschätzt. Das Verhältnis von relativer Permeabilität zu relativer Permittivität ist ebenfalls sehr niedrig. Vergleicht man beispielsweise die Werte in den und bei MHz, so ergibt sich ein maximales Verhältnis von Permeabilität zu relativer Permittivität von etwa 0,04. Das Verhältnis von relativer Permeabilität zu relativer Permittivität für die in und gemessenen Substrate beträgt nur etwa 0,01.
Bei allen Substraten der oben identifizierten Patente wurde beobachtet, dass das Verhältnis der relativen Permeabilität zur relativen Permittivität weniger als 0,6 betrug. Ein magneto-dielektrisches Material mit einer oder mehreren einer erhöhten relativen Permeabilität und einem erhöhten Verhältnis der relativen Permeabilität zur relativen Permittivität ist daher erwünscht.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin offenbart ist ein Hexaferrit-Verbundwerkstoff, umfassend PTFE; und mehr als oder gleich 40 Vol.-% oder 40 bis 90 Vol. % einer Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferritteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen des PTFE und der Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferritteilchen auf einer porenfreien Basis; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Porosität von mehr als oder gleich 10 Vol. %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, aufweist; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Permeabilität von mehr als oder gleich 2,5 aufweist und ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von größer oder gleich 0,4 aufweist, beide bestimmt bei 500 MHz.
Weiter wird ein Artikel offenbart, der den Hexaferrit-Verbundstoff enthalten kann. Ebenfalls offenbart wird ein Verfahren zur Bildung einer Folie, die den Hexaferrit-Verbundwerkstoff umfasst, umfassend das Pastenextrudieren, Gießen oder Formen einer Mischung, die das PTFE und die Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferritpartikeln umfasst, um die Folie zu bilden.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgende detaillierte Beschreibung und Behauptungen veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wurde überraschend entdeckt, dass ein poröser Hexaferrit-Verbundwerkstoff, der Polytetrafluorethylen (PTFE) und mehr als oder gleich 40 Vol.-% einer Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen auf einer porenfreien Basis, umfasst, eine oder beide einer Permeabilität von mehr als oder gleich 2,5 und ein erhöhtes Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von mehr als oder gleich 0,4 erreichen kann, die beide bei 500 MHz bestimmt wurden. Durch Abstimmung der Partikelgröße der Co₂Z -Hexaferrit-Partikel, der relativen Menge der Co₂Z -Hexaferrit-Partikel oder der Porosität des Hexaferrit-Verbundmaterials können sowohl die Permeabilität als auch das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität weiter erhöht werden. Zum Beispiel können die gegenwärtigen Hexaferrit-Verbundwerkstoffe eine oder beide Permeabilitäten von 4,5 bis 7 oder 6 bis 7 und ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von 0,5 bis 0,98 oder 0,7 bis 0,98 erreichen.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff umfasst PTFE. Das PTFE kann mindestens ein Homopolymer oder ein spurenmodifiziertes Homopolymer enthalten. Wie hier verwendet, umfasst ein spurenmodifiziertes PTFE-Homopolymer weniger als 1 Gew.- % einer Wiederholungseinheit, die von einem anderen Comonomer als Tetrafluorethylen abgeleitet ist, bezogen auf das Gesamtgewicht des PTFE. Das PTFE kann durch Emulsionspolymerisation polymerisiert werden, um eine Dispersion zu bilden, die weiter koaguliert werden kann, um eine koagulierte Dispersion oder feines PTFE-Pulver zu bilden. Aus der koagulierten Dispersion für feines Pulver kann durch Pastenextrusion und Kalandrierung eine Folie geformt werden. Alternativ kann das PTFE durch Suspensionspolymerisation polymerisiert werden, um ein körniges PTFE zu bilden. Ein Hexaferrit-Verbundwerkstoff, der eine koagulierte Dispersion oder feines Pulver-PTFE umfasst und durch Pastenextrusion und Kalandrieren gebildet wird, kann im Vergleich zu einem Substrat der gleichen Zusammensetzung, das jedoch ein körniges PTFE umfasst, weniger spröde sein.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann weniger als oder gleich 60 Vol. % oder 5 bis 60 Vol. % oder 10 bis 50 Vol. % oder 10 bis 40 Vol. % des PTFE, bezogen auf das Gesamtvolumen des PTFE und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln auf einer porenfreien Basis, enthalten.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff weist eine Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln auf. Die Co₂Z -Hexaferritpartikel können neben dem Kobalt ein oder mehrere zweiwertige Kationen enthalten. Beispielsweise können das eine oder die mehreren anderen zweiwertigen Kationen mindestens eines der Kationen Al, Ba, Bi, Ni, Ir, Mn, Mg, Mo, Nb, Nd, Sr, V, Zn oder Zr enthalten. Insbesondere können das eine oder die mehreren anderen zweiwertigen Kationen mindestens eines der Kationen Sr, Ba, Ni, Zn, V oder Mn enthalten. In einer Verkörperung können die Co₂Z-Hexaferritteilchen die Formel Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ haben.
Die Form der Co₂Z -Hexaferritpartikel kann unregelmäßig oder regelmäßig sein, z.B. kugelförmig, eiförmig, Flocken und ähnliches. Die Co₂Z -Hexaferritpartikel können magnetische Nanopartikel und/oder mikrometergroße Partikel enthalten. Die Co₂Z -Hexaferrit-Partikel können eine mittlere Partikelgröße von mehr als oder gleich 4 Mikrometer oder 10 bis 100 Mikrometer oder 12 bis 30 Mikrometer haben, gemessen mit dem Horiba LA-910 Laserlichtstreuungs-PSD-Analysator oder bestimmt nach ASTM D4464-15. Es wurde überraschenderweise entdeckt, dass allein durch die Erhöhung der Partikelgröße, z.B. auf eine mittlere Partikelgröße von mehr als oder gleich 10 Mikrometer, der Hexaferrit-Verbundstoff erhöhte Permeabilitätswerte und/oder eine erhöhte Anpassung der Permeabilität an die Permittivität auf Werte von 0,7 bis fast 1 (0,97) bei 500 MHz aufweisen könnte. Die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln kann eine multimodale Partikelgrößenverteilung haben, zum Beispiel, aufweisend eine erste Mehrzahl von Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als oder gleich 1 Mikrometer und eine zweite Mehrzahl von Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von mehr als oder gleich 5 Mikrometer.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann 40 bis 95 Vol. % oder 50 bis 95 Vol. % oder 60 bis 90 Vol. % der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln auf der Basis des Gesamtvolumens des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln auf einer porenfreien Basis umfassen. Es wurde überraschenderweise entdeckt, dass die Erhöhung des Volumenprozentsatzes der Co₂Z -Hexaferrit-Partikel, zum Beispiel auf eine Menge von 60 bis 95 Vol.-%, in der Lage war, Hexaferrit-Verbundwerkstoffe mit erhöhten Permeabilitätswerten von 4,6 bis 6,5 und mit einem Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von 0,7 bis fast 1 (0,97) bei 500 MHz herzustellen.
Die Co₂Z -Hexaferritpartikel können oberflächenbehandelt (hier auch als beschichtet bezeichnet) werden, um die Dispersion in das PTFE zu unterstützen, z.B. mit mindestens einem Tensid (wie z.B. Oleylaminölsäure), einem anorganischen Material (wie z.B. SiO₂, Al₂O₃ und MgO), einem Silan, einem Titanat oder einem Zirkonat.
Die Beschichtung kann mindestens eine Silanbeschichtung, eine Titanatbeschichtung oder eine Zirkonatbeschichtung umfassen. Die Beschichtung kann mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Phenyltrimethoxysilan, p-Chlormethylphenyltrimethoxysilan, Aminoethylaminotrimethoxysilan, Aminoethylaminopropyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, 3,3,3-Trifluorpropyltrimethoxysilan, (Tridecafluor-1,1,2,2-Tetrahydrodecyl)-1-triethoxysilan, Neopentyl(diallyl)oxytrineodecanoyl-Titanat, Neopentyl(diallyl)oxytri(dioctyl)phosphat-Titanat, Neopentyl(diallyl)oxytri(dioctyl)pyrophosphat-Zirkonat oder Neopentyl(diallyl)oxytri(N-ethylendiamino)ethyl-Zirkonat. Die Beschichtung kann eine Silanbeschichtung umfassen, die mindestens ein aromatisches Silan, wie Phenyltrimethoxysilan, oder ein fluoriertes aliphatisches Alkoxysilan, wie (Tridecafluor-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)triethoxysilan, enthält.
Die Co₂Z -Hexaferritpartikel können vor der Bildung des Verbundstoffgemisches mit dem Beschichtungsmittel vorbehandelt werden, oder das Beschichtungsmittel kann dem Verbundstoffgemisch vor der Bildung des Verbundstoffes zugesetzt werden. Die Beschichtung kann in einer Menge von 0,2 bis 4 Gew.-% oder 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Co₂Z -Hexaferritteilchen, vorhanden sein.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann eine Porosität von größer oder gleich 10 Vol. % oder 15 bis 50 Vol. % oder 20 bis 45 Vol%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffs, aufweisen. Die Porosität kann über eine Dichteberechnung oder über Xylol-Aufnahme Messungen bestimmt werden. Es wurde festgestellt, dass das Vorhandensein eines Anteils an Porosität das Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität verbessert. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass der Ersatz eines PTFE-Volumens durch Luft die Permittivität des Gesamtverbunds aufgrund der geringeren Permittivität von Luft von 1,0 im Vergleich zur Permittivität von PTFE von 2,1 senkt. Da jedoch sowohl Luft als auch PTFE nicht magnetisch sind und eine Permeabilität von 1,0 haben, bleibt der Permeabilitätswert des Verbundwerkstoffs durch das Vorhandensein der Porosität unverändert, was zu einer Verbesserung des Verhältnisses von Permeabilität zu Permittivität von näher an 1 führt. Die Poren oder der Hohlraum können offen sein, so dass Luft von einer Oberfläche des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs zur gegenüberliegenden Oberfläche des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs durch die Poren des Verbundwerkstoffs strömen kann.
Der Hexaferrit-Verbundstoff (hier auch als Verbundstoff bezeichnet) kann eine Permeabilität von größer oder gleich 2,5 oder größer als 2,5 oder 4,5 bis 7 oder 6 bis 7 bei 500 MHz haben. Der Verbundwerkstoff kann eine Permittivität von größer oder gleich 4, oder 5 bis 8, oder 6 bis 7 bei 500 MHz haben. Der Verbundstoff kann ein Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität von größer oder gleich 0,4 oder 0,5 bis 0,98 oder 0,7 bis 0,98 bei 500 MHz haben. Der Verbundwerkstoff kann eine magnetische Verlusttangente von kleiner oder gleich 0,1, oder kleiner oder gleich 0,08, oder 0,01 bis 0,07, oder 0,01 bis 0,05 bei 500 MHz haben. Der Verbundstoff kann einen dielektrischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1, oder weniger als oder gleich 0,05, oder 0,001 bis 0,05, oder 0,01 bis 0,05 bei 500 MHz haben. Die magneto-dielektrischen Eigenschaften können unter Verwendung einer koaxialen Luftleitung mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann eine Kupferhaftfestigkeit von 0,54 bis 1,25 Kilogramm pro Zentimeter (kg/cm) (entspricht 3 bis 7 pli (Pfund pro linearem Zoll)) oder 0,71 bis 1,07 kg/cm (entspricht 4 bis 6 pli) aufweisen, gemessen gemäß IPC-Prüfmethode 650, 2.4.9.
Das Hexaferrit-Komposit kann einen dielektrischen Füllstoff enthalten. Der dielektrische Füllstoff kann mindestens einen der folgenden Stoffe aufweisen: Siliciumdioxid (z.B. amorphes Quarzglas), Wollastonit, Vollglaskugeln, Hohlkugeln aus synthetischem Glas oder Keramik, Quarz, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid-Trihydrat, Magnesiumoxid, Glimmer, Talkum, Nanoton oder Magnesiumhydroxid. Der dielektrische Füllstoff kann in einer Menge von 1 bis 60 Vol. % oder 10 bis 50 Vol. %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs auf porenfreier Basis, vorhanden sein.
Der Verbundstoff kann eine Verstärkungsschicht, wie z.B. eine Faserschicht, enthalten. Die Faserschicht kann gewebt oder nicht gewebt sein, wie z.B. ein Filz. Die Faserschicht kann nichtmagnetische Fasern (z.B. Glasfasern und Fasern auf Polymerbasis), magnetische Fasern (z.B. Metallfasern und magnetische Fasern auf Polymerbasis) oder eine Kombination aus einem oder beiden der vorgenannten Bestandteile umfassen. Eine solche thermisch stabile Faserverstärkung reduziert die Schrumpfung des Verbundwerkstoffs beim Aushärten in der Ebene des Substrats. Darüber hinaus kann die Verwendung der Gewebeverstärkung dazu beitragen, ein Substrat mit einer relativ hohen mechanischen Festigkeit zu erhalten. Solche Substrate können z.B. durch Beschichtung oder Laminierung, einschließlich Rolle-zu-Rolle-Laminierung, verarbeitet werden. In der Faserschicht können magnetische Partikel dispergiert sein.
Die Glasfasern können mindestens eines von E-Glasfasern, S-Glasfasern oder D-Glasfasern aufweisen. Die Fasern auf Polymerbasis können Hochtemperatur-Polymerfasern enthalten. Die Fasern auf Polymerbasis können einen Flüssigkristallpolymer wie VECTRAN™ aufweisen, das im Handel bei Kuraray America Inc. in Fort Mill, SC, erhältlich ist. Die Fasern auf Polymerbasis können mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: Polyetherimid, Polyetherketon, Polysulfon, Polyethersulfon, Polycarbonat oder Polyester. Eine relativ kleine Menge Glas, wie z.B. 20 Vol% oder weniger des gesamten Hexaferrit-Verbundwerkstoffs auf porenfreier Basis, wird bevorzugt, da solche Mengen dazu beitragen können, das höhere Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität zu erhalten.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann durch Formen einer Folie und Kalandrieren der Folie zur Bildung des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs hergestellt werden. Die Folie kann durch Pastenextrusion einer geschmierten Krume geformt werden, die PTFE, ein Schmiermittel und die Hexaferritpartikel enthält. Beispiele für Schmiermittel sind ISOPAR™, das von der Exxon Chemical Company, Houston, TX, im Handel erhältlich ist. Das Schmiermittel kann Glykolether wie z.B. Dipropylenglykol enthalten. Das Mischen kann das Mischen in einem Trommelmischer umfassen, der sich um 360° in vertikaler Richtung dreht. Die geschmierte Krume kann durch Mischen des PTFE, des Hexaferrits und des Schmiermittels gebildet werden. Das Mischen kann darin bestehen, zuerst das PTFE zu mischen, dann den Hexaferrit hinzuzufügen und schließlich das Schmiermittel einzumischen. Das Mischen kann unterstütztes Mischen umfassen, z.B. mit einem Rührstab, der wahlweise einen oder mehrere Mischflügel hat. Ein im Handel erhältliches Beispiel für einen Mischer mit einem Rührstab ist ein Patterson Kelly Vee-Blender mit einem Verstärkungsstab. Das Mischen kann zunächst das Mischen des PTFE und des Co₂Z -Hexaferrits in einer Luftmühle umfassen. Ein kommerziell erhältliches Beispiel für eine Luftmühle ist die Jet Pulverizer Mikron-Master-Mühle. Das luftgemahlene Pulver kann höhere Füllstoffgehalte ermöglichen, ohne dass der Artikel spröde wird. Das Mischen kann 4 bis 100 Minuten oder 10 bis 50 Minuten dauern.
Die geschmierte Krume kann vor dem Umformen der Folie z.B. 1 bis 40 Stunden lang bei einer Temperatur von 40 bis 150°C erhitzt werden. Die Folie kann durch Pastenextrusion geformt werden. Die Pastenextrusion kann bei einer Temperatur von 15 bis 150°C oder 40 bis 60°C erfolgen. Die Folie kann durch Formpressen geformt werden.
Die Folie kann kalandriert werden. Die Kalandrierung kann einen einzigen Kalandrierschritt oder mehrere Kalandrierschritte umfassen. Beispielsweise kann die Folie einem ersten Kalandrierschritt unterzogen werden, bei dem die Folie durch mindestens einen Satz einander gegenüberliegender Kalandrierwalzen aus rostfreiem Stahl geführt wird, zwischen denen eine einstellbare Spaltdicke vorhanden ist. Die Spaltdicke zwischen den Walzen kann eingestellt werden, um die Dicke der Folie beim Durchlauf zwischen den Walzen zu verringern. Während des Kalandrierens wird die Breite der Folie beibehalten, aber die Länge der Folie nimmt mit abnehmender Dicke zu. Ein Beispiel für eine kommerziell erhältliche Kalandriermaschine ist der kleine Zweiwalzenstapel von Killion (Killion Extruders, Inc., Cedar Grove, N.J., 07009). Die Folie kann dann in einem oder mehreren Kalandrierschritten weiter kalandriert werden, z.B. in einem Winkel von 45 bis 135°, z.B. 90° der ursprünglichen Kalandrierrichtung. Die Kalanderwalzen können z.B. auf eine Temperatur von 40 bis 150°C oder 45 bis 60°C beheizt werden.
Nach dem Kalandrieren kann der Hexaferrit-Verbundwerkstoff z.B. 10 bis 60 Minuten oder 15 bis 20 Minuten in Wasser eingeweicht werden, um jegliches Lösungsmittel zu entfernen, und auf eine Temperatur von 150 bis 300°C oder 50 bis 300°C oder 200 bis 300°C für 1 bis 40 Stunden oder 5 bis 15 Stunden erhitzt werden. Nach dem Erhitzen kann die Folie weniger als oder gleich 0,2 Gew.-% oder 0 bis 0,1 Gew.-% des Schmiermittels, bezogen auf das Gesamtgewicht der Folie, enthalten.
Eine Folie aus dem Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann durch Gießen geformt werden. Zum Beispiel kann das Gießen umfassen: Gießen einer wässrigen Dispersion, die das PTFE, die Co₂Z -Hexaferritteilchen, einen flüssigen Träger und einen optionalen Viskositätsmodifikator enthält, auf eine Trägerfolie; Trocknen der gegossenen Dispersion; Sintern zur Bildung der Folie; und Entfernen von der Trägerfolie. Der flüssige Träger kann Wasser enthalten. Der optionale Viskositätsmodifikator kann mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Polyacrylsäure, Methylcellulose, Polyethylenoxid, Guargummi, Johannisbrotkernmehl, Natriumcarboxymethylcellulose, Natriumalginat oder Tragantgummi. Das Gießen kann das Gießen auf ein Glasgewebe umfassen. Das Verfahren kann mehrere Gießschritte umfassen, um eine erhöhte Dicke der Folie zu erreichen. Nach dem Gießen kann die gegossene Dispersion auf eine erste Temperatur erhitzt werden, um z.B. bei einer Temperatur von 150 bis 300°C zu einer getrockneten Folie zu trocknen. Die getrocknete Folie kann dann z.B. bei einer Sintertemperatur von 350 bis 400°C gesintert werden. Das Gießen kann in Übereinstimmung mit dem U.S. Patent US 5 506 049 A durchgeführt werden.
Eine Folie, die den Hexaferrit-Verbundwerkstoff enthält, kann durch Gießen geformt werden. Zum Beispiel kann das Formen das Mischen einer Formmischung, die ein körniges PTFE und die Co₂Z -Hexaferritteilchen enthält (zum Beispiel durch Luftmahlen), das Formen der Mischung und gegebenenfalls das Kalandrieren umfassen. Das Mischen kann ein intensives Mischen der Formmischung umfassen, um ein einheitliches Formteil mit guten physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Das Mischen der Formmischung kann zum Beispiel das Mischen durch Pulvermischen und einen zusätzlichen hochintensiven Mischschritt umfassen. Das hochintensive Mischen kann das Durchleiten der Mischung durch eine Luftmühle, wie z.B. die Micron-Master-Luftmühle der Jet Pulveriser Company aus Moorestown, NJ, den schaufellosen Mischer SpeedMixer der Firma FlackTek aus Landrum, SC, oder das Trockenmischen in einem V-Mischer mit einem Verstärkungsstab umfassen. Nach intensivem Mischen kann die Formmischung formgepresst oder trocken kalandriert werden.
Auf dem Hexaferrit-Verbundwerkstoff kann eine leitende Schicht aufgebracht werden. Nützliche leitende Schichten sind z.B. mindestens eine von Edelstahl, Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Zink, Zinn, Blei, Übergangsmetallen oder eine Legierung, die mindestens eines der vorgenannten enthält. Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Dicke der leitenden Schicht, noch gibt es irgendwelche Beschränkungen hinsichtlich der Form, Größe oder Textur der Oberfläche der leitenden Schicht. Die leitende Schicht kann eine Dicke von 3 bis 200 Mikrometern oder 9 bis 180 Mikrometern haben. Wenn zwei oder mehr leitende Schichten vorhanden sind, kann die Dicke der beiden Schichten gleich oder unterschiedlich sein. Die leitende Schicht kann eine Kupferschicht aufweisen. Geeignete leitende Schichten umfassen eine dünne Schicht eines leitfähigen Metalls, wie z.B. eine Kupferfolie, die gegenwärtig bei der Herstellung von Schaltungen verwendet wird, z.B. galvanisch abgeschiedene Kupferfolien.
Die leitfähige Schicht kann durch Laminieren der leitfähigen Schicht auf den Hexaferrit-Verbundwerkstoff, durch direkte Laserstrukturierung oder durch Aufkleben der leitfähigen Schicht auf den Hexaferrit-Verbundwerkstoff über eine Klebeschicht aufgebracht werden. Andere in der Technik bekannte Methoden können zum Aufbringen der leitfähigen Schicht verwendet werden, wenn die besonderen Materialien und die Form des Schaltungsmaterials dies zulassen, z.B. galvanische Abscheidung, chemische Gasphasenabscheidung und ähnliches.
Das Laminieren kann das Laminieren eines mehrschichtigen Stapels umfassen, der den Hexaferrit-Verbundstoff, eine leitende Schicht und eine optionale Zwischenschicht zwischen dem Hexaferrit-Verbundstoff und der leitenden Schicht umfasst, um eine Schichtstruktur zu bilden. Die leitende Schicht kann ohne die Zwischenschicht in direktem physischen Kontakt mit der Hexaferritschicht stehen. Der Schichtaufbau kann dann in einer Presse, z.B. einer Vakuumpresse, unter einem Druck und einer Temperatur und für eine Zeitdauer platziert werden, die geeignet sind, die Schichten zu verbinden und ein Laminat zu bilden. Das Laminieren und optionale Aushärten kann in einem einstufigen Prozess, z.B. mit einer Vakuumpresse, oder in einem mehrstufigen Prozess erfolgen. In einem einstufigen Prozess kann der Schichtaufbau in eine Presse gelegt, auf Laminierdruck (z.B. 1 bis 2,8 Megapascal (entspricht 150 bis 400 Pfund pro Quadratzoll (psi))) gebracht und auf Laminiertemperatur (z.B. 350 bis 390 Grad Celsius (°C)) erhitzt werden. Die Laminierungstemperatur und der Laminierungsdruck können für eine gewünschte Einweichzeit, d.h. 20 Minuten, aufrechterhalten und danach (noch unter Druck) auf weniger als oder gleich 150°C abgekühlt werden.
Die Zwischenschicht kann einen Polyfluorkohlenstoff-Film aufweisen, der sich zwischen der leitenden Schicht und dem Hexaferrit-Verbundwerkstoff befindet. Der Polyfluorkohlenstoff-Film weist einen Fluorpolymer (wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), einen fluorierten Ethylen-Propylen-Copolymer (wie z.B. Teflon FEP) und einen Copolymer mit einer Tetrafluorethylen-Hauptkette mit einer vollständig fluorierten Alkoxy-Seitenkette (wie z.B. Teflon PFA) auf.
Die leitende Schicht kann durch Laser-Direktstrukturierung aufgebracht werden. Dabei kann der Hexaferrit-Verbundwerkstoff einen Laser-Direktstrukturierungszusatz enthalten; und die Laser-Direktstrukturierung kann die Verwendung eines Lasers zur Bestrahlung der Oberfläche des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, die Bildung einer Spur des Laser-Direktstrukturierungszusatzes und das Aufbringen eines leitfähigen Metalls auf die Spur umfassen. Der Laser-Direktstrukturierungszusatz kann ein Metalloxidteilchen (wie z.B. Titanoxid oder Kupfer-Chromoxid) umfassen. Der Laser-Direktstrukturierungszusatz kann ein anorganisches Metalloxidteilchen auf Spinellbasis, wie z.B. Spinellkupfer, enthalten. Das Metalloxidteilchen kann z.B. mit einer Zusammensetzung beschichtet werden, die Zinn und Antimon enthält (z.B. 50 bis 99 Gew.-% Zinn und 1 bis 50 Gew.-% Antimon, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung). Das Additiv zur Laser-Direktstrukturierung kann 2 bis 20 Teile des Additivs, bezogen auf 100 Gewichtsteile der jeweiligen Zusammensetzung, umfassen. Die Bestrahlung kann mit einem YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 Nanometern bei einer Ausgangsleistung von 10 Watt, einer Frequenz von 80 Kilohertz (kHz) und einer Rate von 3 Metern pro Sekunde durchgeführt werden. Das leitende Metall kann mittels eines Plattierungsverfahrens in einem stromlosen Plattierungsbad, das beispielsweise Kupfer enthält, aufgebracht werden.
Die leitende Schicht kann durch Aufkleben der leitenden Schicht aufgebracht werden. Die leitende Schicht kann eine Schaltung (die metallisierte Schicht einer anderen Schaltung) sein, zum Beispiel eine Flexschaltung. Eine Haftschicht kann zwischen einer oder mehreren leitenden Schichten und dem Hexaferrit-Verbundstoff angeordnet werden.
Die folgenden Beispiele sollen die gegenwärtige Offenlegung veranschaulichen.
BEISPIELE
In den Beispielen wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Materialien verwendet. Der Co₂Z -4-Hexaferrit hatte eine mittlere Partikelgröße, gemessen mit dem Horiba LA-910 Laserlichtstreuungs-PSD-Analysator von 4 Mikrometern, eine spezifische Oberfläche von 2 bis 3 Meter im Quadrat pro Gramm (m²/g), bestimmt durch Gasabsorptionsflächenanalyse, eine Partikeldichte, gemessen durch Helium-Pyknometrie, von 5.4 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) und, nach Angaben des Herstellers, eine Permeabilität von 10 und einen magnetischen Q-Faktor von mehr als 15 bei 500 Megahertz (MHz).
Der Co₂Z -15-Hexaferrit hatte eine mit dem Horiba LA-910-Laserlichtstreuungs-PSD-Analysator gemessene mittlere Partikelgröße von 15 Mikrometern, eine spezifische Oberfläche von etwa 0,3 g/m², die durch Gasabsorptionsflächenanalyse bestimmt wurde, eine Partikeldichte von 4,5 g/cm³, gemessen durch Helium-Pyknometrie, und nach Angaben des Herstellers eine Permeabilität von 15 bis 300 MHz und einen magnetischen Q-Faktor von 5 bei 500 MHz.
Der Co₂Z -15R-Hexaferrit wurde in Übereinstimmung mit der Vorbereitung des Co₂Z -15-Hexaferrits von Spectrum Magnetics, LLC, im Haus vorbereitet. Die beiden Hexaferrite hatten die gleichen Eigenschaften wie oben beschrieben.

Der Hexaferrit Co₂Z -25R wurde in Übereinstimmung mit der Vorbereitung des Hexaferrits Co₂Z -15 von Spectrum Magnetics, LLC, im eigenen Haus hergestellt. Die beiden Hexaferrite hatten die gleichen Eigenschaften wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Partikelgröße 25 bis 28 Mikrometer betrug.

Tabelle 1
Co₂Z -4-Hexaferrit	TTZ-500 Co₂Z -Hexaferrit-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 Mikrometern	Trans-Tech-Abteilung von Skyworks
Co₂Z -15-Hexaferrit	SMMDF-101 Co₂Z Hexaferrit-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 15 Mikrometern	Spectrum-Magnetik, LLC
Co₂Z -15R Hexaferrit	Co₂Z -Hexaferrit-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 15 Mikrometern	Rogers Corporation
Co₂Z -25R Hexaferrit	Co₂Z -Hexaferrit-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 25 bis 28 Mikrometern	Rogers Corporation
Aromatisches Alkoxysilan	DC-6124 Phenyl-Trimethoxysilan	Dow Corning Corporation
Fluoriertes aliphatisches Alkoxysilan	(Tridecafluoro-1,1,2,2-tet-rahydrooctyl)triethoxysilan	Gelest, Inc.
PTFE	Dyneon™ TF-2029	3M

Vor der Einarbeitung der Hexaferrit-Pulver in das PTFE wurden die Pulver mit einer 3:1-Gewichtsmischung aus einem aromatischen Alkoxysilan und einem fluorierten aliphatischen Alkoxysilan vorbehandelt. In verschiedenen Experimenten wurde ein Silan in Konzentrationen von 0,5 bis 9 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hexaferritpulvers, aufgetragen.
Ein typisches Organosilan-Behandlungsverfahren sieht folgendermaßen aus: Für eine 2 Gew.-%ige Mischung wurden 446 Gramm Isopropylalkohol (IPA) in ein 1-Liter-Becherglas auf einen Magnetrührer gegeben; und 223 Gramm aromatisches Alkoxysilan, 73 Gramm fluoriertes, aliphatisches Alkoxysilan, 22,3 Gramm Wasser und 0,22 Gramm von 1 normal HCl wurden dem IPA zugegeben und für 1 Stunde lang mischen gelassen, um eine Behandlungsmischung zu bilden. 14.500 Gramm des Hexaferrit-Pulvers wurden in einen 16-Quart-Patterson Kelly Vee-Blender mit einem durch Flüssigkeitszugabe verstärkten Stab gegeben. Der Mischer wurde versiegelt, und die Schale konnte sich 2 Minuten lang drehen, um das Pulver zu mischen. Die Behandlungsmischung wurde dann durch den Verstärkungsstab über einen Zeitraum von 8 Minuten hinzugefügt. Der Mischer wurde angehalten, und das Stromkabel wurde aus Sicherheitsgründen aus der Steckdose gezogen. Der Mischer wurde geöffnet, und die Wände wurden mit einem Kunststoffspatel abgeschabt. Der Mischer wurde wieder versiegelt und bei laufendem Druckübersetzerstab für weitere zehn Minuten in Rotation versetzt. Das behandelte Pulver wurde in eine große Ofenwanne entleert und 8 Stunden lang bei 135°C und weitere 3 Stunden bei 260°C gehärtet und abkühlen gelassen, um den behandelten Hexaferrit zu bilden.
Das folgende beispielhafte Verfahren wurde zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus 60 Vol% Hexaferrit und 40 Vol% PTFE durch Pastenextrusion und Kalandrieren angewandt. 7.200 Gramm des behandelten Hexaferrit-Pulvers wurden in einen 16-Quart-Patterson Kelly Vee-Blender mit einem Verstärkungsstab mit Flüssigkeitszugabe gegeben. 1.945,2 Gramm PTFE wurden ebenfalls in den Mischer gegeben. Der Mischer wurde ohne den Verstärkungsstab mehrere Minuten lang geschleudert, um das trockene Pulver zu mischen. 1.366,6 Gramm Dipropylenglykol (DPG) wurden über einen Zeitraum von zehn Minuten durch den Verstärkungsstab mit Flüssigkeitszugabe zugegeben. Der Mischer wurde angehalten, der elektrische Stecker zur Sicherheit aus der Steckdose gezogen und die Wände mit dem Kunststoffspatel abgeschabt. Der Mischer wurde versiegelt und weitere zwei Minuten lang mit dem Druckübersetzerstab laufen gelassen und dann einfach für weitere vier Minuten umgewälzt. Die gemischte, geschmierte Krume wurde in eine versiegelte Plastiktrommel gegeben und vor der Pastenextrusion und Kalandrierung 24 Stunden lang in einem Ofen bei 50°C gelagert.
Der Pastenextrusionsschritt wurde mit einem Laborextruder von Jennings International durchgeführt. Ein 3,81 cm (1,5 Zoll) breites Band wurde in einer einfachen, sich verjüngenden Düse geformt, die einen glatten Übergang von einem Zylinder mit einem Durchmesser von 3,81 cm (1,5 Zoll) zu einem 3,81 cm (1,5 Zoll) mal 2,54 mm (0,100 Zoll) breiten Schlitz darstellte. Sowohl der Zylinder als auch die Matrize wurden mit Heizband nachgezogen und auf einer Temperatur von 50°C gehalten. Das resultierende 3,81 cm (1,5 Zoll) breite Band wurde in 38,1 cm (15 Zoll) lange Stücke geschnitten, die seitlich in einen 40,64 cm (16 Zoll) breiten Zweiwalzenkalander von Kobelco Stewart Bolling, Inc. mit einem Durchmesser von 30,48 cm (12 Zoll) eingeführt wurden. Die Kalanderwalzen wurden mit erhitztem Wasser auf 50°C erhitzt. Das Band wurde zu Bögen von 15,5 Zoll (39,37 cm) x 22 Zoll (55,88 cm) kalandriert. Die Bögen wurden 20 Minuten lang in warmem Wasser eingeweicht, um das DPG-Schmiermittel zu entfernen, und dann 6 Stunden lang in einem Ofen bei 260°C getrocknet.
Die getrockneten Folien wurden auf 14 Zoll (35,56 cm) x 19 Zoll (48,26 cm) beschnitten und gewogen. Die Folien wurden zwischen polierten Stegplatten zu Circuit-Folien HFZ-Kupferfolie bei einem Druck auf das Laminat von 2,57 MPa (400 psi) und einer 90-minütigen Verweilzeit von 371 °C (700°F) laminiert. Die Enddichte für jede Formulierung (einschließlich der Porosität) war aus früheren Versuchen bekannt, so dass man die Komponentenfolien eines kompletten Laminats nach dem Flächengewicht auswählen kann.
Tabelle 2 zeigt die Gewichtsprozente und porenfreien Dichten für die Hexaferrit-Verbundwerkstoffe unter Annahme einer Ferritdichte von 5,4 g/cm³ und einer PTFE-Dichte von 2,18 g/cm³.

Tabelle 2

Hexaferrit (Vol%) 40 50 60 70 80

Hexaferrit (Gew.-%) 62,3 71,2 78,8 85,3 90,8

Lunkerfreie Dichte (g/cm³) 3,47 3,79 4,11 4,43 4,75
In den Beispielen wurden die Permeabilität, die Permittivität und die entsprechenden Werte der magnetischen und dielektrischen Verlusttangente von 45 MHz bis 3 GHz in einer koaxialen Damaskos 25 mm (1 Zoll)-Luftleitung gemessen. Ein ringförmiger Ring aus dem zu prüfenden Material wurde präzise bearbeitet, damit er fest in die Luftleitung passt. Nach der Kalibrierung wurden die s-Parameter der leeren Luftleitung über den interessierenden Frequenzbereich gemessen. Die Probe wurde dann in die Luftleitung eingeführt, und die s-Parameter der Probe mit der Luftleitung wurden aufgezeichnet. Die Permeabilitäts-, Permittivitäts- und Tangentialwerte für den magnetischen und dielektrischen Verlust wurden mit der Nicolson-Ross-Methode extrahiert.
Die theoretische porenfreie Dichte des Verbundwerkstoffs, ρ_comp, _theo, wurde aus den Dichte- und Volumenanteilen der Komponenten berechnet als $ρ_{c o m p, t h e o} = \sum v_{i} ρ_{i}$
wo ρ_j die Dichte der Komponente i und v_i der Volumenanteil der Komponente i ist. Die theoretische porenfreie Dichte des Verbundwerkstoffs, ρ_comp, kann auch aus den Dichte- und Gewichtsanteilen der Komponenten berechnet werden als ρ_comp,theo = ( Σ w_i/ρ_i)^-1, wobei w_i der Gewichtsanteil der Komponente i ist. Der Leerraumanteil, v_f, wurde aus der tatsächlich gemessenen Dichte des Verbundstoffs, ρ_comp, berechnet als $v_{f} = 1 - \frac{ρ_{comp}}{ρ_{comp,theo}},$
und die prozentuale Porosität nach Dichte beträgt daher 100 × v_f.
Die prozentuale Porosität wurde auch durch die Aufnahme von Xylol bestimmt, da Xylol eine relativ niedrige Oberflächenspannung hat. Die Verbundprobe wurde gewogen und 48 Stunden lang in Xylol eingetaucht und erneut gewogen. Das Volumen des absorbierten Xylols wurde aus der Gewichtszunahme berechnet. Diese Methode ist genau, solange die Porosität „zugänglich“ und nicht abgedichtet oder eingekapselt ist.
Beispiele 1-8: Auswirkung einer zunehmenden Menge an Hexaferrit-Verbundwerkstoffen

Die Hexaferrit-Verbundwerkstoffe der Beispiele 1-8 wurden durch das oben beschriebene Pastenextrusions- und Kalandrierverfahren unter Verwendung eines oberflächenbehandelten Co₂Z -15R-Hexaferrits hergestellt. Die resultierenden Eigenschaften der Verbundwerkstoffe der Beispiele 1-8 sind in Tabelle 3 dargestellt, wo die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften bei 500 MHz bestimmt wurden.

Tabelle 3
Beispiel	1	2	3	4	5	6	7	8
Hexaferrit (Vol%)	60	60	65	70	75	75	80	80
Permittivität	5,8	5,6	5,7	5,4	5,8	5,2	5,3	5,3
Durchlässigkeit	4,6	4,5	4,6	4,5	4,7	4,5	4,6	4,7
Permeabilität/Permittivität	0,79	0,79	0,81	0,84	0,82	0,87	0,87	0,88
Dielektrische VerlustTangente	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Magnetische VerlustTangente	0,06	0,07	0,07	0,07	0,07	0,06	0,06	0,06
Theoretische Dichte (g/cm³)	4,11	4,11	4,27	4,43	4,60	4,60	4,75	4,75
Tatsächliche Dichte (g/cm³)	3,20	3,14	3,13	2,86	3,06	3,02	2,86	2,89
Porosität (%) nach Dichte	22	24	27	35	33	34	40	39
Porosität (%) nach Xylol-Aufnahme	21	23	25	31	31	37	39	38

Die im Patent CN 1 04 193 224 B beschriebenen Hexaferrit-Verbundwerkstoffe dienen als Vergleichsbeispiele. Das CN 1 04 193 224 B - Patent offenbart Substratmaterialien, die maximal 33 Vol% Co₂Z -Ferrit mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 1 Mikrometer enthalten. Das CN 1 04 193 224 B - Patent weist einen maximalen Permeabilitätswert von 3,8 und ein maximales Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität von 0,475 auf. Vermutlich zum Teil aufgrund der in den Beispielen 1-8 erzielten höheren Volumenfüllstofffüllungen und der größeren mittleren Teilchengröße erreicht der vorliegende Verbundstoff deutlich höhere Permeabilitätswerte als das Substratmaterial des CN 1 04 193 224 B - Patents. Das Substratmaterial des CN 1 04 193 224 B - Patents erreicht auch ein maximales Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität von nur 0,475, während das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität der Beispiele 1-8 im Bereich von 0,79 bis 0,88 liegt. Das verbesserte Verhältnis der Beispiele 1-8 ergibt sich wahrscheinlich aus der erhöhten Porosität von 22 bis 39 Vol.-% der gegenwärtigen Verbundwerkstoffe im Vergleich zum Substratmaterial des CN 1 04 193 224 B - Patents.
Beispiele 9-13: Auswirkung der Erhöhung der Partikelgröße des Hexaferrits

Die Beispiele 9-13 wurden in Übereinstimmung mit den Beispielen 1-8 vorbereitet, mit der Ausnahme, dass ein oberflächenbehandelter Co₂Z -25R Hexaferrit in den Beispielen 9-12 und ein verkleinerter, oberflächenbehandelter Co₂Z -25R Hexaferrit in Beispiel 13 verwendet wurde. Die Hexaferrit-Pulver wurden mit Organosilan behandelt, wobei 2 Gew.-% der Beschichtungsmischung verwendet wurden. Die Verbundwerkstoffe bestanden zu 60 Vol% aus Hexaferrit. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt, wobei NM für nicht gemessen steht.

Tabelle 4
Beispiel	9	10	11	12	13
Permittivität	6,6	6,6	7,1	6,9	6,7
Durchlässigkeit	6,4	6,3	6,5	6,3	4,8
Permeabilität/Permittivität	0,97	0,95	0,92	0,92	0,71
Dielektrische VerlustTangente	0,007	0,003	0,010	0,007	0,007
Magnetische VerlustTangente	0,06	0,06	0,07	0,08	0,06
Theoretische Dichte (g/cm³)	4,11	4,11	4,11	4,11	4,11
Tatsächliche Dichte (g/cm³)	NM	3,45	3,50	3,43	3.51
Porosität (%) nach Dichte	NM	16	15	17	15

Vergleicht man Tabelle 3 und Tabelle 4, so zeigt sich, dass die größeren Hexaferrite mit mittlerer Teilchengröße in den Beispielen 9 bis 12 zu einer Erhöhung der Permeabilität von 4,5 und 4,6 in den Beispielen 1 und 2 auf 6,3 bis 6,5 in den Beispielen 9 bis 12 führten. Das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität stieg ebenfalls von 0,79 in den Beispielen 1 und 2 auf 0,92 bis 0,97 in den Beispielen 9 bis 12.
Um zu zeigen, dass tatsächlich in erster Linie die Zunahme der mittleren Partikelgröße die Ursache für die Erhöhung der Permeabilität und die Verbesserung des Permeabilitäts-/Permittivitäts-Verhältnisses war, wurde eine Probe des Hexaferrits Co₂Z -25R mit einer Vortec Turbo Prallmühle so aufgemahlen, dass der entstandene gemahlene Hexaferrit eine mittlere Partikelgröße von 15 Mikrometern aufwies. Die gemahlene Probe wurde oberflächenbehandelt und zu einem 60 Vol%i-gen Hexaferritgemisch aus Beispiel 13 verarbeitet. Die Verringerung der mittleren Partikelgröße führte zu einer Verringerung der Permeabilität auf 4,8 und einer Verringerung des Verhältnisses von Permeabilität zu Permittivität auf 0,71. Beide Werte sind nahezu identisch mit denen der Beispiele 1 und 2, die mit dem Hexaferrit Co₂Z -15R hergestellt wurden.
Beispiele 14-21: Auswirkung der abnehmenden Partikelgröße des Hexaferrits

Die Beispiele 14-21 wurden aus dem Co₂Z -4-Hexaferrit hergestellt, der mit 2 Gew.-% der Beschichtungsmischung behandelt wurde. Die Hexaferrit-Verbundwerkstoffe wurden durch Pastenextrusion und Kalandrieren, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt und in einer Flachbettpresse bei 2,8 Megapascal (400 psi) laminiert. Die Ergebnisse der koaxialen Airline-Prüfung auf Permittivität und Permeabilität sowie die Dichte- und Porositätsmessungen sind in Tabelle 5 dargestellt.

Tabelle 5
Beispiel	14	15	16	17	18	19	20	21
Hexaferrit (Vol%)	60	60	65	65	70	70	80	80
Permittivität	5,79	5,48	5,36	5,16	5,24	4,98	5,01	4,85
Durchlässigkeit	2,53	2,48	2,47	2,56	2,52	2,46	2,56	2,47
Permeabilität/Permittivität	0,44	0,45	0,46	0,50	0,48	0,49	0,51	0,51
Dielektrische VerlustTangente	0,03	0,04	0,02	0,01	0,01	0,01	0,02	0,01
Magnetische VerlustTangente	0,05	0,06	0,04	0,06	0,04	0,03	0,03	0,03
Theoretische Dichte (g/cm³)	4,11	4,11	4,27	4,27	4,43	4,43	4,75	4,75
Tatsächliche Dichte (g/cm³)	3,13	3,06	3,05	2,94	2,93	2,83	2,79	2,86
Porosität (%) nach Dichte	24	26	29	31	34	36	41	40
Porosität (%) nach Xylol-Aufnahme	22	25	27	32	34	35	41	39

Tabelle 5 zeigt, dass die Permeabilitätswerte und das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität der Beispiele 14-21 im Vergleich zu den Hexaferrit-Verbundwerkstoffen mit den größeren Hexaferritpartikeln reduziert sind.

Es wird angemerkt, dass das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität in vielen der Beispiele 14-21 höher ist als in dem Patent CN 1 04 193 224 B beschrieben.
Bei der höchsten Belastung von 80 Vol% (Beispiel 20) beträgt das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität beispielsweise 0,51.
Beispiele 22-23: Wirkung des Laminierdrucks

Die Beispiele 22 und 23 wurden wie in Beispiel 14 beschrieben vorbereitet, mit der Ausnahme, dass sie in einer Flachbettpresse bei 1.200 psi (8,3 MPa) laminiert wurden. Die Ergebnisse der koaxialen Airline-Prüfung der Permittivität und Permeabilität sowie der Dichte- und Porositätsmessungen sind in Tabelle 6 dargestellt, wobei Beispiel 14 und Beispiel 18 zur besseren Übersichtlichkeit wiedergegeben sind.

Tabelle 6
Beispiel	14	18	22	23
Hexaferrit (Vol%)	60	70	60	70
Laminierungsdruck (psi)	400	400	1.200	1.200
Permittivität	5,79	5,24	6,61	5,76
Durchlässigkeit	2,53	2,52	3,34	3,32
Permeabilität/Permittivität	0,44	0,48	0,51	0,58
Dielektrische Verlust-Tangente	0,03	0,01	0,06	0,01
Magnetische Verlust-Tangente	0,05	0,04	0,05	0,03
Theoretische Dichte (g/cm³)	4,11	4,43	4,11	4,43
Tatsächliche Dichte (g/cm3)	3,13	2,93	3,31	3,22
Porosität (%) nach Dichte	24	34	19	27
Porosität (%) nach Xylol-Aufnahme	22	34	16	21

Tabelle 6 zeigt, dass allein durch die Erhöhung des Laminierdrucks die Permeabilität und das Verhältnis von Permeabilität zu Permittivität erhöht werden können, wobei die Porosität erhalten bleibt.

Beispiel 24: Schälprüfung von kupferplattierten Laminaten des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs.
Vier Verbundwerkstoffe, die 60 Vol.-% Co₂Z -15R-Hexaferrit umfassen und mit 2 Gew.-% der Beschichtungsmischung behandelt wurden, wurden in dem 16-Quart-Patterson Kelly Vee-Blender hergestellt und pastenextrudiert und kalandriert, um ungefähr 15 Zoll (38,1 cm) x 22 Zoll (55,88 cm) große Folien zu bilden. Die Folien wurden beschnitten und auf eine erwartete Enddicke von 2,54 mm (0,100 Inch) zwischen zwei Folien Circuit Foil (308 g/m2) HFZ-behandelter Kupferfolie auf polierten Stegplatten gestapelt. Die kupferkaschierten Folien wurden in einer Flachbettpresse bei 7,6 Megapascal (1.100 psi) mit einer 90-minütigen Verweilzeit bei 371 °C (700 Grad Fahrenheit) auf das Laminat laminiert. Ein 3,18 Millimeter (3,18 Zoll) breiter Streifen wurde auf die Laminate geätzt und in einem TMI Lab Master Release and Adhesion Tester bei 5,08 cm/min (2 Zoll pro Minute) unter Verwendung der 90°-Winkeleinstellung abgeschält. Die durchschnittlichen Schälfestigkeiten reichten von 1,36 bis 2,77 Kilogramm pro 2,54 cm (3 bis 6,1 Pfund pro linearem Zoll (pli)).
Im Folgenden werden verschiedene nicht einschränkende Aspekte der vorliegenden Offenlegung dargelegt.

Aspekt 1: Ein Hexaferrit-Verbundwerkstoff, aufweisend: Polytetrafluorethylen; und mehr als oder gleich 40 Vol% oder 40 bis 90 Vol% einer Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen auf einer porenfreien Basis; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Porosität von mehr als oder gleich 10 Vol%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, aufweist; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Permeabilität von mehr als oder gleich 2,5 aufweist und ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von größer oder gleich 0,4 aufweist, beide bestimmt bei 500 MHz. Die Permeabilität und die Permittivität können unter Verwendung einer 1 Zoll (25 mm) koaxialen Luftleitung mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden. Die Permeabilität und die Permittivität können gemäß der NIST Technical Note 1536 mit dem Titel Measuring the Permittivity and Permeability of Lossy Materials (Messung der Permittivität und Permeabilität verlustbehafteter Materialien) gemessen werden: Feststoffe, Flüssigkeiten, Metalle, Baustoffe und Materialien mit negativem Index, vom Februar 2005.
Aspekt 2: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff von Aspekt 1, wobei die Mehrzahl der Co₂Z -Hexaferrit-Partikel eine mittlere Partikelgröße von mehr als oder gleich 4 Mikrometer oder 6 bis 100 Mikrometer oder 12 bis 100 Mikrometer oder 24 bis 50 Mikrometer aufweist. Die Partikelgröße kann mit dem Horiba LA-910 Laserlichtstreuungs-Partikelgrößenverteilungsanalysator gemessen werden.
Aspekt 3: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff 60 bis 90 Vol.-% der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln umfasst.
Aspekt 4: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln eine Oberflächenbehandlung umfasst, die mindestens eines von einem aromatischen Silan oder einem fluorierten aliphatischen Alkoxysilan umfasst.
Aspekt 5: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln mindestens eines der Elemente Al, Ba, Bi, Ni, Ir, Mn, Mg, Mo, Nb, Nd, Sr, V, Zn oder Zr umfasst.
Aspekt 6: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Aspekte, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff 5 bis 60 Vol.-% oder 5 bis 50 Vol. % oder 10 bis 40 Vol. % des PTFE, bezogen auf das Gesamtvolumen des PTFE, und die Mehrzahl der Co₂Z -Hexaferritteilchen auf einer porenfreien Basis umfasst.
Aspekt 7: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Porosität von 15 bis 50 Vol% oder 20 bis 45 Vol%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, aufweist.
Aspekt 8: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: eine Permeabilität von 4,5 bis 7 oder 6 bis 7 bei 500 MHz; eine Permittivität von größer oder gleich 4 oder 5 bis 8 oder 6 bis 7 bei 500 MHz; ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von 0.5 bis 0,98 oder 0,7 bis 0,98 bei 500 MHz; eine magnetische Verlusttangente von weniger als oder gleich 0,1 oder weniger als oder gleich 0,08 oder 0,01 bis 0,07 oder 0,01 bis 0,05 bei 500 MHz; oder ein dielektrischer Verlust von weniger als oder gleich 0,1 oder weniger als oder gleich 0,05 oder 0,001 bis 0,05 oder 0,01 bis 0,05 bei 500 MHz.
Aspekt 9: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Kupferhaftfestigkeit von 0,54 bis 1,25 Kilogramm pro Zentimeter (entspricht 3 bis 7 pli) oder 0,72 bis 1,07 Kilogramm pro Zentimeter (entspricht 4 bis 6 pli) aufweist, gemessen gemäß IPC-Testmethode 650, 2.4.9.
Aspekt 10: Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, der außerdem mindestens einen dielektrischen Füllstoff oder eine Faserschicht enthält.
Aspekt 11: Ein Artikel, der den Hexaferrit-Verbundstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte umfasst.
Aspekt 12: Der Artikel aus Aspekt 11, der ferner eine leitende Schicht umfasst, die sich auf mindestens einer der Oberflächen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs befindet.
Aspekt 13: Der Artikel von Aspekt 11 oder Aspekt 12, wobei der Artikel eine Antenne ist.
Aspekt 14: Ein Verfahren zur Herstellung einer Folie, die den Hexaferrit-Verbundwerkstoff aus einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte umfaßt, kann folgendes umfassen: Pastenextrudieren, Gießen oder Formen einer Mischung, die das PTFE und die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln umfaßt, um die Folie zu bilden.
Aspekt 15: Das Verfahren von Aspekt 14, wobei das Formen das Pastenextrudieren umfasst und wobei das Verfahren ferner das Kalandrieren der Folie umfasst.
Aspekt 16: Das Verfahren nach einen oder mehrere der Aspekte 14 bis 15, wobei die Mischung das PTFE in Form einer Dispersion oder eines Pulvers, die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln und ein Schmiermittel umfaßt.
Aspekt 17: Das Verfahren nach einen oder mehrere der Aspekte 14 bis 17, wobei das Formen das Gießen umfaßt, wobei die Mischung eine wäßrige Dispersion ist, die das PTFE und die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen umfaßt; und wobei das Verfahren ferner das Erhitzen der Platte nach dem Gießen auf eine erste Temperatur und das Sintern der Platte bei einer zweiten Temperatur umfaßt. Aspekt 18: Das Verfahren nach Aspekt 17, wobei das Gießen das Gießen der Mischung auf eine Gewebeverstärkung, vorzugsweise eine Glasgewebeverstärkung, umfasst.
Aspekt 19: Das Verfahren eines oder mehrerer der Aspekte 14 bis 18, wobei das Formen das Mischen des PTFE in Granulatform und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln zur Bildung der Mischung und das Trockenkalandrieren oder Formen der Mischung zur Bildung der Folie umfaßt.
Aspekt 20: Das Verfahren eines der Aspekte 14 bis 19, das weiterhin das Mischen des PTFE, der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln und eines Schmiermittels vor dem Formen der Platte umfasst.
Aspekt 21: Das Verfahren von Aspekt 20, wobei das Mischen mindestens eines der folgenden Verfahren umfasst: Luftmahlen, unterstütztes Mischen, Taumelmischen oder Mischen für 4 bis 100 Minuten.
Aspekt 22: Das Verfahren eines oder mehrerer der Aspekte 14 bis 21, wobei, wenn die Bahn kalandriert wird, das Kalandrieren ein zwei- oder mehrmaliges Kalandrieren umfasst.
Aspekt 23: Das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 14 bis 22, das ferner das Einweichen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs in Wasser und das Erhitzen auf eine Temperatur von 150 bis 300°C oder 50 bis 300°C oder 200 bis 300°C für 1 bis 40 Stunden oder 5 bis 15 Stunden umfasst.
Aspekt 24: Das Verfahren eines oder mehrerer der Aspekte 14 bis 23, das ferner das Hinzufügen einer leitenden Schicht auf mindestens einer Oberfläche des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs umfasst.

Der Begriff „Grenzfrequenz“ ist die Frequenz, bei der die Imaginärkomponente der Permeabilität ihr Maximum erreicht. Der Begriff „magnetokristallines Anisotropiefeld“ ist ein Maß für den Unterschied in der Magnetisierungskraft, die erforderlich ist, um eine bestimmte Magnetisierung in einer Achse gegenüber einer anderen Achse (typischerweise Grundebene und c-Achse) zu induzieren. Der Begriff „magnetische Sättigung“ ist das angelegte Magnetfeld, dessen Magnetisierung bei einem erhöhten angelegten Feld nicht zunimmt. Es ist zu beachten, dass der Begriff „Sättigungsmagnetisierung“ in drei verschiedenen Zusammenhängen verwendet werden kann. Die „Volumenmagnetisierung“ wird in emu/cm³ ausgedrückt, wobei 4πM_S die Einheiten von (1:10.000 Tesla, entspricht 1 Gauß) hat. Die „Massenmagnetisierung“ wird in emu/g ausgedrückt. Wenn man die relativen Eigenschaften zweier Materialien vergleicht, sollte man verstehen, dass die Einheiten die gleichen sind.
Der Begriff „relative Permeabilität“ ist der Grad der Magnetisierung in einem Material als Reaktion auf ein Magnetfeld, geteilt durch den Grad der Magnetisierung im Vakuum, wenn das gleiche Magnetfeld angelegt wird. Der Begriff „relative Permittivität“ ist die Flussdichte als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld, geteilt durch die Flussdichte als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld für ein Vakuum. Der Begriff „magnetische Verlusttangente“ ist das Verhältnis der imaginären Permeabilität zur realen relativen Permeabilität bei einer gegebenen Frequenz, u''/u'. Der Begriff „dielektrische Verlusttangente“ ist das Verhältnis der imaginären Permittivität zur realen relativen Permittivität, e''/e'. Während es bei magnetischen Materialien notwendig ist, die Messfrequenz zu spezifizieren, weisen dielektrische Materialien typischerweise einen stabilen dielektrischen Verlust über einen weiten Frequenzbereich auf, so dass diese Spezifikation bei der Beschreibung des dielektrischen Verlustes weggelassen werden kann.
Der Begriff „intrinsische Impedanz“ ist das Verhältnis von elektrischem Feld zur magnetischen Flussdichte für eine transversal-elektrisch-magnetische Welle, die sich durch ein Medium ausbreitet. Die intrinsische Impedanz eines Mediums kann aus der Quadratwurzel des Verhältnisses zwischen seiner absoluten Permeabilität und seiner absoluten Permittivität berechnet werden. Der Begriff „Hochimpedanz-Magnetodielektrikum“ ist ein Material, das eine Polymermatrix und ein Füllmaterial mit einer Permeabilität größer als eins umfasst, wobei das Verbundmaterial eine Permeabilität größer als eins, eine Permittivität größer als eins und eine intrinsische Impedanz von mehr als 350 Ohm bei der oberen Betriebsfrequenz aufweist. Der Ausdruck „verlustbehaftetes hochohmiges Magnetodielektrikum“ ist ein Material, das eine Polymermatrix und ein Füllmaterial mit einer Permeabilität größer als 1 umfaßt, wobei das Verbundmaterial eine Permeabilität größer als 1, eine Dielektrizitätskonstante größer als 1 und eine Eigenimpedanz von mehr als 350 Ohm bei der oberen Betriebsfrequenz aufweist, wobei die obere Betriebsfrequenz als die erste Frequenz definiert ist, bei der die magnetische Verlusttangente 0,07 übersteigt.
Die Begriffe „ein“ und „eins“ bezeichnen keine Mengenbeschränkung, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem der referenzierten Gegenstände. Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Bezugnahme in der gesamten Spezifikation auf „eine Ausführungsform“, „eine andere Ausführungsform“, „einige Ausführungsformen“, „einen Aspekt“ und so weiter bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z.B. Merkmal, Struktur, Stufe oder Merkmal), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer der hier beschriebenen Ausführungsformen enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen in jeder geeigneten Weise kombiniert werden können.
Im Allgemeinen können die Zusammensetzungen, Methoden und Artikel alternativ alle hierin angegebenen Bestandteile, Schritte oder Komponenten enthalten, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Zusammensetzungen, Verfahren und Gegenstände können zusätzlich oder alternativ so formuliert, durchgeführt oder hergestellt werden, daß sie frei oder im wesentlichen frei von jeglichen Bestandteilen, Schritten oder Komponenten sind, die zur Erreichung der Funktion oder der Ziele der vorliegenden Ansprüche nicht notwendig sind. „Optional“ oder „fakultativ“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten kann oder nicht eintreten kann, und dass die Beschreibung Fälle einschließt, in denen das Ereignis eintritt, und Fälle, in denen es nicht eintritt.
Sofern hierin nicht anders angegeben, sind alle Teststandards der jüngste Standard, der am Anmeldetag dieser Anmeldung in Kraft ist, oder, falls eine Priorität in Anspruch genommen wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der der Teststandard erscheint.
Die Endpunkte aller Bereiche, die auf die gleiche Komponente oder Eigenschaft ausgerichtet sind, schließen die Endpunkte ein, sind unabhängig voneinander kombinierbar und schließen alle Zwischenpunkte und Bereiche ein. Zum Beispiel schließen Bereiche von „bis zu 25 Gew.-% oder 5 bis 20 Gew.-%“ die Endpunkte und alle Zwischenwerte der Bereiche von „5 bis 25 Gew.-%“ ein, wie z.B. 10 bis 23 Gew.-% usw. Wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, eine Region oder ein Substrat als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, kann es sich direkt auf dem anderen Element befinden oder es können auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „in direktem physischen Kontakt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Eine Liste, die „mindestens eines von“ enthält, bedeutet, dass die Liste jedes Element einzeln sowie Kombinationen von zwei oder mehr Elementen der Liste und Kombinationen von mindestens einem Element der Liste mit ähnlichen, nicht genannten Elementen umfasst. Der Begriff „Kombination“ schließt Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein. Sofern nicht anders definiert, haben die hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie gemeinhin unter dem Begriff der Geschicklichkeit auf dem Gebiet der Kunst, zu der diese Erfindung gehört, verstanden wird.

Claims

Ein Hexaferrit-Verbundwerkstoff, umfassend: Polytetrafluorethylen; und größer oder gleich 40 Vol% einer Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritpartikeln auf einer porenfreien Basis; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Porosität von mehr als oder gleich 10 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, aufweist; wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Permeabilität von größer als oder gleich 2,5 und ein Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität von größer als oder gleich 0,4 aufweist, die beide bei 500 MHz bestimmt werden; und wobei die Permeabilität und die Permittivität in einer koaxialen Luftleitung von 25 mm mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Co₂Z -Hexaferritteilchen eine mittlere Teilchengröße von mehr als oder gleich 4 Mikrometer aufweist; wobei die mittlere Teilchengröße gemäß ASTM D4464-15 bestimmt wird.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff 60 bis 90 Vol.-% der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen umfasst.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen eine Oberflächenbehandlung umfasst, die mindestens eines von einem aromatischen Silan oder einem fluorierten aliphatischen Alkoxysilan umfasst.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl der Co₂Z -Hexaferritteilchen mindestens eines von Al, Ba, Bi, Ni, Ir, Mn, Mg, Mo, Nb, Nd, Sr, V, Zn oder Zr umfasst.
Hexaferrit-Verbundstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hexaferrit-Verbundstoff 5 bis 60 Vol.-% des Polytetrafluorethylens, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens, und die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen auf einer porenfreien Basis umfaßt.
Der Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Porosität 15 bis 50 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundwerkstoffs, ist.
Der Hexaferrit-Verbundstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der folgenden gegeben ist: die Permeabilität beträgt 4,5 bis 7 bei 500 MHz; oder das Verhältnis der Permeabilität zur Permittivität beträgt 0,5 bis 0,98 bei 500 MHz; oder der Hexaferrit-Verbundwerkstoff hat eine Permittivität von größer oder gleich 4 bei 500 MHz; oder der Hexaferrit-Verbundwerkstoff hat eine magnetische Verlusttangente von weniger als oder gleich 0,1 bei 500 MHz; oder der Hexaferrit-Verbundwerkstoff weist einen dielektrischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 bei 500 MHz auf.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hexaferrit-Verbundwerkstoff eine Kupferhaftfestigkeit von 0,54 bis 1,25 Kilogramm pro Zentimeter (entspricht 3 bis 7 pli) aufweist, gemessen nach IPC-Testmethode 650, 2.4.9.
Hexaferrit-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, der ferner mindestens einen dielektrischen Füllstoff oder eine Faserschicht enthält.
Gegenstand, der den Hexaferrit-Verbundstoff aus einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche umfasst, wobei der Gegenstand eine Antenne ist.
Hexaferrit-Verbundstoff, umfassend: 5 bis 60 Vol.-% Polytetrafluorethylen; und 40 bis 95 Vol.-% einer Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferrit-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von mehr als oder gleich 4 Mikrometern, bestimmt gemäß ASTM D4464-15; wobei die Volumenprozente des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferritpartikeln auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferritpartikeln auf einer porenfreien Basis bezogen sind; wobei der Hexaferrit-Verbundstoff eine Porosität von 15 bis 50 Vol.- %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundstoffs, aufweist; wobei der Hexaferrit-Verbundstoff eine Permeabilität von größer oder gleich 2,5 und ein Verhältnis der Permeabilität zu einer Permittivität von größer oder gleich 0,4 aufweist, beide bestimmt bei 500 MHz; und wobei die Permeabilität und die Permittivität in einer 25 mm koaxialen Leitung mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem Vektornetzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden.
Verfahren zur Herstellung einer Folie, die einen Hexaferrit-Verbundstoff umfasst, umfassend: mindestens eines von Pastenextrudieren, Gießen oder Formen einer Mischung, die das Polytetrafluorethylen und die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen umfasst, um die Folie zu bilden wobei die Folie mehr als oder gleich 40 Vol.-% der Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferrit-Teilchen umfasst, bezogen auf das Gesamtvolumen des Polytetrafluorethylens und der Mehrzahl von Co₂Z-Hexaferrit-Teilchen auf einer porenfreien Basis; wobei der Hexaferrit-Verbundstoff eine Porosität von mehr als oder gleich 10 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Hexaferrit-Verbundstoffs, aufweist; wobei der Hexaferrit-Verbundstoff eine Permeabilität von größer oder gleich 2,5 und ein Verhältnis der Permeabilität zu einer Permittivität von größer oder gleich 0,4 aufweist, beide bestimmt bei 500 MHz; und wobei die Permeabilität und die Permittivität in einer 25 mm koaxialen Leitung mit einer Nicolson-Ross-Extraktion aus den mit einem Vektornetzwerkanalysator gemessenen Streuparametern gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Formen das Pastenextrudieren umfasst und wobei das Verfahren ferner das Kalandrieren der Folie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Mischung das Polytetrafluorethylen in Form einer Dispersion oder eines Pulvers, die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen und ein Schmiermittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Formen das Gießen umfaßt, wobei die Mischung eine wäßrige Dispersion ist, die das Polytetrafluorethylen und die Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen umfaßt; und wobei das Verfahren ferner das Erhitzen der Folie nach dem Gießen auf eine erste Temperatur und das Sintern der Folie bei einer zweiten Temperatur umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Gießen das Gießen der Mischung auf eine Gewebeverstärkung, vorzugsweise eine Glasgewebeverstärkung, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Formen das Mischen des Polytetrafluorethylens in Granulatform und der Mehrzahl von Co₂Z -Hexaferritteilchen zur Bildung des Gemisches; und mindestens eines von Trockenkalandrieren oder Formen des Gemisches zur Bildung der Folie umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, das ferner das Hinzufügen einer leitfähigen Schicht auf mindestens einer Oberfläche der Folie umfasst.