武汉理工杨全岭教授团队 CRPS: 作为厘米波贴片天线一次性衬底使用的柔性低介电常数纸

2024-11-04 来源：高分子科技

在物联网中，无线通信技术是实现设备互联的前提。而作为发送与接收无线电波的设备，射频天线是无线通信中信号传输速度与质量的决定因素。为适应巨大而高速信息流的传递，人们在不断探索更高无线电频段的同时也在推动着低介电材料的设计与开发。低介电材料是拥有较低介电常数和介电损耗的材料，广泛用于高频电路板、天线衬底以及天线保护罩等领域，有助于降低信号传输延迟和损耗。目前被用于低介电应用的材料主要是一些石油基高分子，包括聚酰亚胺、液晶聚合物、聚苯醚、聚苯并恶唑、聚四氟乙烯等。受原料来源和经济可行性的限制，这些石油基高分子可能无法满足未来更加多样化的应用需求。

天然高分子是源于自然界的一类环境友好、可生物降解的高分子材料。天线衬底应用对衬底材料的耐热性要求不高，可以尝试将天然高分子，例如纤维素用作天线的衬底材料。纤维素是自然界储量最丰富的天然高分子，其本征介电常数（6-8）较高，需要将其制成多孔结构，降低其介电常数以适应低介电应用。

考虑到成本因素，本工作摒弃了常规的复杂繁琐的制孔技术，直接以超低成本的商用复印纸为基础进行后续的设计与改性。在稀酸处理除去CaCO₃后，采用温和的TEMPO催化氧化技术向复印纸修饰高反应性的-COONa基团，并且氧化后的复印纸呈现出宏观的厚度膨胀，进一步提高了孔隙率。随后，在TEMPO氧化纸上原位生长金属-有机框架材料ZIF-67，赋予纸张抗菌性能和机械强度。最后通过浸渍工艺将纸张与六方氮化硼（h-BN）和乙基纤维素（EC）复合，提高纸张的导热性和疏水性（图1）。红外光谱、X射线衍射与SEM测试证实了氧化过程的成功进行以及ZIF-67、EC和h-BN的成功复合（图2-图3），热失重与热老化测试表明浸渍纸的长期使用温度约为150 °C（图4）。另外，浸渍纸有着优良的柔韧性、导热性（面内导热率13.55 W·m^-1·K^-1）、耐水性（水接触角122°，饱和吸水率3.18%）和抗菌性（图5）。通过将氧化纸在乙醇中缓慢干燥，可以得到界面牢固缠结的多层纸张，从而轻松的调节制品厚度（图6）。

图1：商用复印纸的改性流程图

图2：各纸张与粉末样品的红外光谱图和X射线衍射图（A）复印纸、酸处理纸、氧化纸、ZIF-67纸与ZIF-67粉末的红外光谱对比；（B）h-BN粉末、EC粉末、ZIF-67纸及浸渍纸的红外光谱对比；（C）h-BN粉末与ZIF-67粉末的XRD衍射图；（D）复印纸、酸处理纸、氧化纸、ZIF-67纸与浸渍纸的XRD衍射图对比

图3：各纸张样品表面的SEM图像（A, F）商用复印纸；（B, G）酸处理纸；（C, H）氧化纸；（D, I）ZIF-67纸；（E, J）浸渍纸

图4：各纸张样品热失重与热老化测试（A）各纸张样品的TGA曲线；（B）各纸张样品的DTG曲线；（C）各纸张样品热老化实验的颜色变化

图5：纸张样品的导热性、疏水性、抗菌性及力学性能测试（A）ZIF-67纸与浸渍纸的垂直导热性测试；（B）商用复印纸与浸渍纸的水接触角和吸水率测试；（C）商用复印纸与浸渍纸的抗菌性测试；（D）浸渍纸的柔韧性以及纸张样品的拉伸性能对比

图6：氧化纸的可拓展制备

浸渍纸对于丝网印刷工艺和有机溶剂系导电油墨均展现出良好的适应性。印刷天线的回波损耗约为-20 dB，谐振频率略微向高频偏移，表明浸渍纸在SHF频段的介电常数可能小于3。并且，浸渍纸在不同曲率砝码表面表现出良好的共形能力，废弃的印刷天线也可以方便的通过焚烧处理（图7）。作为一种超低成本的纤维素低介电多孔材料，浸渍纸非常适合作为一次性SHF频段射频器件衬底使用，有助于缓解全球日益严重的电子垃圾污染的问题。

图7：浸渍纸的介电性能以及印刷天线的性能表征（A）商用复印纸、酸处理纸与浸渍纸的介电常数对比；（B）商用复印纸、酸处理纸与浸渍纸的介电损耗对比；（C）印刷天线模拟与实测回波损耗曲线；（D）印刷天线方向图与模拟增益；（E）印刷天线实物图；（F）印刷天线在不同曲率砝码表面的共性能力；（G）印刷天线焚烧后的残余物

该工作以“Flexible low dielectric permittivity paper as a disposable substrate for centimeter wave patch antennas”为题发表于Cell Reports Physical Science, 2024,5, 102253中，文章第一作者为武汉理工大学博士生牛富堃，通讯作者为武汉理工大学杨全岭教授。

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102253

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（责任编辑：xu）

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