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武漢理工楊全嶺教授團隊 CRPS: 作為厘米波貼片天線一次性襯底使用的柔性低介電常數(shù)紙
2024-11-04  來源：高分子科技

  在物聯(lián)網(wǎng)中，無線通信技術(shù)是實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)的前提。而作為發(fā)送與接收無線電波的設(shè)備，射頻天線是無線通信中信號傳輸速度與質(zhì)量的決定因素。為適應(yīng)巨大而高速信息流的傳遞，人們在不斷探索更高無線電頻段的同時也在推動著低介電材料的設(shè)計與開發(fā)。低介電材料是擁有較低介電常數(shù)和介電損耗的材料，廣泛用于高頻電路板、天線襯底以及天線保護罩等領(lǐng)域，有助于降低信號傳輸延遲和損耗。目前被用于低介電應(yīng)用的材料主要是一些石油基高分子，包括聚酰亞胺、液晶聚合物、聚苯醚、聚苯并惡唑、聚四氟乙烯等。受原料來源和經(jīng)濟可行性的限制，這些石油基高分子可能無法滿足未來更加多樣化的應(yīng)用需求。


  天然高分子是源于自然界的一類環(huán)境友好、可生物降解的高分子材料。天線襯底應(yīng)用對襯底材料的耐熱性要求不高，可以嘗試將天然高分子，例如纖維素用作天線的襯底材料。纖維素是自然界儲量最豐富的天然高分子，其本征介電常數(shù)（6-8）較高，需要將其制成多孔結(jié)構(gòu)，降低其介電常數(shù)以適應(yīng)低介電應(yīng)用。


  考慮到成本因素，本工作摒棄了常規(guī)的復(fù)雜繁瑣的制孔技術(shù)，直接以超低成本的商用復(fù)印紙為基礎(chǔ)進行后續(xù)的設(shè)計與改性。在稀酸處理除去CaCO3后，采用溫和的TEMPO催化氧化技術(shù)向復(fù)印紙修飾高反應(yīng)性的-COONa基團，并且氧化后的復(fù)印紙呈現(xiàn)出宏觀的厚度膨脹，進一步提高了孔隙率。隨后，在TEMPO氧化紙上原位生長金屬-有機框架材料ZIF-67，賦予紙張抗菌性能和機械強度。最后通過浸漬工藝將紙張與六方氮化硼（h-BN）和乙基纖維素（EC）復(fù)合，提高紙張的導(dǎo)熱性和疏水性（圖1）。紅外光譜、X射線衍射與SEM測試證實了氧化過程的成功進行以及ZIF-67、EC和h-BN的成功復(fù)合（圖2-圖3），熱失重與熱老化測試表明浸漬紙的長期使用溫度約為150 °C（圖4）。另外，浸漬紙有著優(yōu)良的柔韌性、導(dǎo)熱性（面內(nèi)導(dǎo)熱率13.55 W·m-1·K-1）、耐水性（水接觸角122°，飽和吸水率3.18%）和抗菌性（圖5）。通過將氧化紙在乙醇中緩慢干燥，可以得到界面牢固纏結(jié)的多層紙張，從而輕松的調(diào)節(jié)制品厚度（圖6）。


圖1：商用復(fù)印紙的改性流程圖


圖2：各紙張與粉末樣品的紅外光譜圖和X射線衍射圖（A）復(fù)印紙、酸處理紙、氧化紙、ZIF-67紙與ZIF-67粉末的紅外光譜對比；（B）h-BN粉末、EC粉末、ZIF-67紙及浸漬紙的紅外光譜對比；（C）h-BN粉末與ZIF-67粉末的XRD衍射圖；（D）復(fù)印紙、酸處理紙、氧化紙、ZIF-67紙與浸漬紙的XRD衍射圖對比


圖3：各紙張樣品表面的SEM圖像（A, F）商用復(fù)印紙；（B, G）酸處理紙；（C, H）氧化紙；（D, I）ZIF-67紙；（E, J）浸漬紙


圖4：各紙張樣品熱失重與熱老化測試（A）各紙張樣品的TGA曲線；（B）各紙張樣品的DTG曲線；（C）各紙張樣品熱老化實驗的顏色變化


圖5：紙張樣品的導(dǎo)熱性、疏水性、抗菌性及力學(xué)性能測試（A）ZIF-67紙與浸漬紙的垂直導(dǎo)熱性測試；（B）商用復(fù)印紙與浸漬紙的水接觸角和吸水率測試；（C）商用復(fù)印紙與浸漬紙的抗菌性測試；（D）浸漬紙的柔韌性以及紙張樣品的拉伸性能對比


圖6：氧化紙的可拓展制備


  浸漬紙對于絲網(wǎng)印刷工藝和有機溶劑系導(dǎo)電油墨均展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。印刷天線的回波損耗約為-20 dB，諧振頻率略微向高頻偏移，表明浸漬紙在SHF頻段的介電常數(shù)可能小于3。并且，浸漬紙在不同曲率砝碼表面表現(xiàn)出良好的共形能力，廢棄的印刷天線也可以方便的通過焚燒處理（圖7）。作為一種超低成本的纖維素低介電多孔材料，浸漬紙非常適合作為一次性SHF頻段射頻器件襯底使用，有助于緩解全球日益嚴(yán)重的電子垃圾污染的問題。


圖7：浸漬紙的介電性能以及印刷天線的性能表征（A）商用復(fù)印紙、酸處理紙與浸漬紙的介電常數(shù)對比；（B）商用復(fù)印紙、酸處理紙與浸漬紙的介電損耗對比；（C）印刷天線模擬與實測回波損耗曲線；（D）印刷天線方向圖與模擬增益；（E）印刷天線實物圖；（F）印刷天線在不同曲率砝碼表面的共性能力；（G）印刷天線焚燒后的殘余物


  該工作以“Flexible low dielectric permittivity paper as a disposable substrate for centimeter wave patch antennas”為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science, 2024,5, 102253中，文章第一作者為武漢理工大學(xué)博士生牛富堃，通訊作者為武漢理工大學(xué)楊全嶺教授。


  原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102253

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