Модуляция диэлектрических свойств в низких

Apr 29, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13104 (2022) Цитировать эту статью

1196 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Полимерные композиты с высокой диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом потерь высоко ценятся в качестве подложек для современной быстродействующей электроники. В данной работе мы анализируем высокочастотные диэлектрические свойства двух типов композитов на основе полипропилена, наполненного микрочастицами с высокой диэлектрической проницаемостью. Используются два типа наполнителей: коммерческая керамика или оксид титана (TiO2) разной концентрации. Ключевое наблюдение заключается в том, что добавление наполнителей приводит к увеличению диэлектрической проницаемости примерно на 100% (при самой высокой нагрузке) до 4,2 и 3,4 для композитов на основе микрокерамики и TiO2 соответственно. Интересно, что для композита TiO2 тангенс потерь зависит от объема загрузки наполнителя, тогда как для другого композита наблюдается тенденция к небольшому увеличению, однако на уровне ~ 10–3. Для объяснения экспериментальных результатов предложена теоретическая модель, определяемая микроволновым отражением и пропусканием через репрезентативный элемент объема, которая позволяет исследовать влияние объемного соотношения, формы зерен, агрегации и размера на тангенс угла потерь и эволюцию диэлектрической проницаемости. Этот подход можно использовать для моделирования других материалов с низкими диэлектрическими потерями и включениями.

Полимерные композиты привлекли значительное внимание за последнее десятилетие благодаря их многочисленным применениям в современной жизни и промышленности. Важным направлением развития являются электронные устройства, работающие на высоких частотах, миниатюризация которых до сих пор остается нерешенной проблемой из-за необходимости создания новых диэлектрических подложек. Полимерная матрица является многообещающим кандидатом в качестве подложек из-за ее гибкости, легкого веса, низкой стоимости, крупномасштабного производства и высокой прочности на электрический пробой. Однако подложки на основе полимеров обычно имеют довольно плохие диэлектрические свойства с точки зрения низких потерь. Все эти особенности имеют решающее значение для производства новых материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом потерь, которые могут служить диэлектрическими подложками для изготовления новых компонентов радиочастотной электроники, например, датчиков, антенн, конденсаторов и полевых транзисторов. Подходящие материалы с низкими потерями должны иметь реальную диэлектрическую проницаемость > 2 и тангенциальные потери < 10–2.

Одной из основных стратегий повышения диэлектрической проницаемости полимерных композитов является внедрение в полимерную матрицу керамических наполнителей с высокой диэлектрической проницаемостью и интенсивной спонтанной поляризацией. Например, в полиимидном композите с наночастицами TiO2 наблюдалось увеличение диэлектрической проницаемости примерно на 10% (для концентрации 7% TiO2), а тангенс угла потерь композита вырос примерно в четыре раза1. Диэлектрическая проницаемость соединения TiO2–полидиметилсилоксан равна 4,4 и измерена при высокой концентрации включений, достигающей 30 мас.%2. Введение такой же концентрации TiO2 в полимер ПВДФ привело к получению значения \({\varepsilon }_{\mathrm{r}}\) около 103. В свою очередь, рекордное значение диэлектрической проницаемости (\({\varepsilon } _{\mathrm{r}}\) = 133) получено для полимерного композита BaTiO3-цианоэтилированная целлюлоза для 51% мас. концентрация бариевой керамики4. В последнее время в качестве наполнителя полимеров широко исследуются электрически перестраиваемые диэлектрики, такие как керамика Ba0,6Sr0,4TiO3. Например, композит ПВДФ с 40% мас. Ba0,6Sr0,4TiO3 достиг значения диэлектрической проницаемости 405. Однако эта стратегия имеет ограничения из-за порога загрузки наполнителя. Более высокие концентрации приводят к снижению технологичности и механической гибкости6. Влияние размера зерна, образования кластеров или корреляции между различными параметрами заряда и изменением тангенса потерь в литературе пока не описано. Эту информацию можно получить путем сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.