一種三相復(fù)合微帶天線基板材料及其制備方法
【專利摘要】一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，它由10～15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁性填料和25～30質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介電填料以及60質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物相復(fù)合而成；該磁性填料為尖晶石結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵，分子式為Fe3O4，該介電填料為金紅石二氧化鈦，分子式為TiO2，該聚合物基體為聚四氟乙烯樹脂PTFE。其制備方法有三大步驟：步驟一、復(fù)合材料制備；步驟二、冷壓成型；步驟三、燒結(jié)固化。該復(fù)合基板材料制備工藝簡單，免去了復(fù)雜的有機(jī)合成，抗機(jī)械沖擊性能比常規(guī)陶瓷基板材料更好；采用本發(fā)明得到的復(fù)合基板材料作為微帶天線基板，不僅有助于降低微帶天線的重量和體積，而且有利于提高微帶天線的帶寬及輻射效率。
【專利說明】一種三相復(fù)合微帶天線基板材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種三相復(fù)合微帶天線基板材料及其制備方法，屬于電子材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]微帶天線是20世紀(jì)70年代初期研制成功的一種新型天線。其結(jié)構(gòu)為在介質(zhì)基片上，一面覆上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做成矩形、圓形或其它幾何形狀的金屬薄片作輻射單元。天線的寬帶特性、高增益以及小型化一直是困擾工程技術(shù)人員的主要難題。
[0003]目前，國內(nèi)外微帶介質(zhì)天線常用材料為聚四氟乙烯、高介電常數(shù)陶瓷材料以及陶瓷填充聚合物復(fù)合材料。聚合物基板材料容易加工，但介電常數(shù)較低(2~3)，不利于實現(xiàn)小型化；陶瓷材料介電常數(shù)較高，如金紅石Ti02介電常數(shù)為80，能夠有效縮小微帶天線的尺寸，但高介電材料易激起表面波，使天線帶寬減小，降低天線福射效率。陶瓷填充聚合物復(fù)合材料很大程度上消除了聚合物和陶瓷的弊端，其將聚合物的可加工性與陶瓷材料的高介電特性相結(jié)合，并在高頻率下保持較低的介電損耗，得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]然而，電磁波在介質(zhì)中傳播還面臨著阻抗匹配的問題，既有一定磁導(dǎo)率又有一定介電常數(shù)的介質(zhì)材料在阻抗匹配方面有著天然的優(yōu)勢，已有報道高分子磁性材料，在較寬溫度范圍內(nèi)磁性能穩(wěn)定，高頻微波激勵下具有低損耗，適用頻率范圍廣。但磁性高分子材料的制備過程較復(fù)雜，且能耗高。磁性材料填充聚合物成為了一個新穎的方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]1、目的:針對以上技術(shù)背景，本發(fā)明的目的是提供一種三相復(fù)合微帶天線基板材料及其制備方法。所述的微帶天線復(fù)合基板材料為尖晶石結(jié)構(gòu)四氧化三鐵、金紅石二氧化鈦共同填充熱固性樹脂聚四氟乙烯材料的一種三相復(fù)合新型材料，在10MHz~IGHz的頻率范圍內(nèi)具有一定的磁介性和低損耗性(介電常數(shù)在2~10，磁導(dǎo)率在I~5左右，IGHz下介電損耗O~0.1,磁損耗O~0.1);同時,該復(fù)合基板材料制備工藝簡單,免去了復(fù)雜的有機(jī)合成，具有一定的柔韌性，抗機(jī)械沖擊性能比常規(guī)陶瓷基板材料更好。采用本發(fā)明得到的復(fù)合基板材料作為微帶天線基板，不僅有助于降低微帶天線的重量和體積，而且有利于提高微帶天線的帶寬及福射效率。
[0006]2、技術(shù)方案:
[0007]I) 一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，由10~15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁性填料和25~30質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介電填料以及60質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物相復(fù)合而成。所述磁性填料為尖晶石結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵，分子式為Fe3O4，介電材料為金紅石二氧化鈦，分子式為T12，聚合物基體為聚四氟乙烯(PTFE)樹脂。
[0008]其中，PTFE粉末在運(yùn)輸過程中，容易聚集成團(tuán)，致使混料時發(fā)生困難，無法將無機(jī)物均勻分散于有機(jī)物中，因此，在使用前，要用粉碎方法進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)聚合物的特性，在低溫下，分子鏈的活動性降低，相互之間的吸引力下降，粉末的表面張力增大有利于分散，因此，需將PTFE放入冰箱進(jìn)行冷凍處理，使用時取出來，過40目篩，并在真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理，使水分揮發(fā)，過篩力度小。
[0009]2) 一種三相復(fù)合微帶天線基板材料制備方法，其制備過程通過以下步驟實現(xiàn):
[0010]步驟一:復(fù)合材料制備
[0011]三相復(fù)合材料體系，首先需要制備填料復(fù)合材料。第一步，以酒精為介質(zhì)，先將稱量好的Fe3O4和T12加入到球磨罐中，球磨時間為2~8小時，速率為200~500rpm/min。之后將混合好的物料倒出，放入烘箱干燥I~5h，使酒精揮發(fā)，以備稱量。第二步，按配方稱量，將球磨后的復(fù)合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介質(zhì)，用超聲振動加手動攪拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成復(fù)合介質(zhì)材料。最后，放入烘箱干燥I~5h，干燥過程中禁止攪拌，否則聚四氟乙烯的纖維結(jié)構(gòu)在高溫下受力會發(fā)生團(tuán)聚，影響復(fù)合材料的均勻性。
[0012]步驟二:冷壓成型
[0013]將復(fù)合粉料均勻填入模腔中，壓制使用的模具直徑為18mm，壓力為10~15MPa。所壓樣品厚度控制在I~2_，壓制時采用單面加壓，壓力必須緩慢而均勻地增加，壓力達(dá)到最大值后，要保壓5~lOmin。卸壓時先把壓力緩慢降至最大壓力的80%，保壓I~5min，然后將壓力完全撤去。脫模，修除樣品表面上的毛刺。環(huán)狀樣品的制備，需定制環(huán)狀的模具，若無可先加工成圓柱狀， 再在車床上打孔，內(nèi)徑為6_。
[0014]步驟三:燒結(jié)固化
[0015]本實驗采用可通保護(hù)氣體的管式燒結(jié)爐，可調(diào)節(jié)升溫速率及保溫時間。燒結(jié)的目的是使聚合物分子鏈發(fā)生交聯(lián)固化，更好的包裹無機(jī)填料。實驗采用的升溫曲線為:先以80~100°C /h的速率升溫到200°C左右，不保溫，再以80~150°C /h的升溫速率升到最高溫度，保溫I~2h。最后，隨爐自然冷卻。
[0016]PTFE熔點是327°C，熱分解溫度在370~400°C，溫度在415°C上發(fā)生分解并釋放劇毒氣體，因此嚴(yán)格控制加工最高溫度(<40(TC);燒結(jié)升溫階段應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速率，若升溫速度太快，壓件內(nèi)部受熱不均勻容易發(fā)生樣品變形。升溫速率和燒結(jié)時間，隨壓件的形狀和尺寸而變化。由于本實驗Fe3O4在加熱過程中容易發(fā)生氧化生成Fe2O3,因此，整個燒結(jié)過程在惰性氣體中進(jìn)行，本實驗保護(hù)氣為氬氣。
[0017]經(jīng)過以上步驟，就可以得到本發(fā)明所述的微帶天線復(fù)合基板材料，經(jīng)測試，該材料在10MHz~IGHz的頻率范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的乘積在8~20左右，介電常數(shù)在2~
10,磁導(dǎo)率在I~5, IGHz下介電損耗O~0.1,磁損耗O~0.1。
[0018]3、優(yōu)點及功效:
[0019]本發(fā)明提供的低頻段微帶天線基板材料的主要優(yōu)點在于在10MHz~IGHz頻段內(nèi)，基板材料同時具有磁性和介電特性的雙復(fù)特性，其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的乘積在8~20之間，且磁導(dǎo)率的截止頻率高于1GHz。采用該材料作為微帶基板天線，既可縮小微帶天線的尺寸和體積，同時一定程度上實現(xiàn)天線基板與空氣的阻抗匹配，從而提升天線的工作帶寬和輻射效率。本發(fā)明的材料配方設(shè)計和制備工藝方案，有利于實現(xiàn)材料的低損耗特性，但在高頻下?lián)p耗值偏高，需改進(jìn)配方和工藝條件，降低損耗以提高基板的適用性和天線的輻射效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明提供的微帶天線基板材料的制備方法流程示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明提供的微帶天線基板材料的介譜測試曲線圖。
[0022]圖3為本發(fā)明提供的微帶天線基板材料的磁譜測試曲線圖。
[0023]圖4為本發(fā)明提供的微帶天線基板材料的比介電損耗頻率頻譜測試曲線圖。
[0024]圖5為本發(fā)明提供的微帶天線基板材料的比磁損耗頻率頻譜測試曲線圖。

【具體實施方式】
[0025]見圖1一圖5，本發(fā)明一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，由10~15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁性填料和25~30質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介電填料以及60質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物相復(fù)合而成。所述磁性填料為尖晶石結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵，分子式為Fe3O4，介電材料為金紅石二氧化鈦，分子式為T12，聚合物基體為聚四氟乙烯樹脂即PTFE。
[0026]本發(fā)明一種三相復(fù)合微帶天線基板材料的備方法，該方法具體步驟如下:
[0027]步驟一:復(fù)合材料制備
[0028]三相復(fù)合材料體系，首先需要制備填料復(fù)合材料。第一步，以酒精為介質(zhì)，先將稱量好的Fe3O4和T12加入到球磨罐中，球磨時間為4小時，速率為400rpm/min。之后將混合好的物料倒出，放入烘箱干燥3h，使酒精揮發(fā)，以備稱量。第二步，按配方稱量，將球磨后的復(fù)合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介質(zhì)，用超聲振動加手動攪拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成復(fù)合介質(zhì)材料。最后，放入烘箱干燥3h，干燥過程中禁止攪拌，否則聚四氟乙烯的纖維結(jié)構(gòu)在高溫下受力會發(fā)生團(tuán)聚，影響復(fù)合材料的均勻性。
[0029]步驟二:冷壓成型
[0030]將復(fù)合粉料均勻填入模腔中，壓制使用的模具直徑為18_，壓力為15MPa。所壓樣品厚度控制在2_，壓制時采用單面加壓，壓力必須緩慢而均勻地增加，壓力達(dá)到最大值后，要保壓lOmin。卸壓時先把壓力緩慢降至最大壓力的80%，保壓5min，然后將壓力完全撤去。脫模，修除樣品表面上的毛刺。環(huán)狀樣品的制備，需定制環(huán)狀的模具，若無可先加工成圓柱狀，再在車床上打孔，內(nèi)徑為6mm。
[0031]步驟三:燒結(jié)固化
[0032]本實驗采用可通保護(hù)氣體的管式燒結(jié)爐，可調(diào)節(jié)升溫速率及保溫時間。燒結(jié)的目的是使聚合物分子鏈發(fā)生交聯(lián)固化，更好的包裹無機(jī)填料。實驗采用的升溫曲線為:先以100C /h的速率升溫到200°C左右，不保溫，再以150°C /h的升溫速率升到最高溫度，保溫2h。最后，隨爐自然冷卻。
[0033]PTFE熔點是327°C，熱分解溫度在370~400°C，溫度在415°C上發(fā)生分解并釋放劇毒氣體，因此嚴(yán)格控制加工最高溫度(<40(TC);燒結(jié)升溫階段應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速率，若升溫速度太快，壓件內(nèi)部受熱不均勻容易發(fā)生樣品變形。升溫速率和燒結(jié)時間，隨壓件的形狀和尺寸而變化。由于本實驗Fe3O4在加熱過程中容易發(fā)生氧化生成Fe2O3,因此，整個燒結(jié)過程在惰性氣體中進(jìn)行，本實驗保護(hù)氣為氬氣。
【權(quán)利要求】
1.一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，其特征在于:它由10~15質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磁性填料和25~30質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介電填料以及60質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物相復(fù)合而成；該磁性填料為尖晶石結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵，分子式為Fe3O4,該介電填料為金紅石二氧化鈦,分子式為T12,該聚合物基體為聚四氟乙烯樹脂PTFE。
2.—種三相復(fù)合微帶天線基板材料制備方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:復(fù)合材料制備 第一步，以酒精為介質(zhì)，先將稱量好的Fe3O4和T12加入到球磨罐中，球磨時間為2~8小時,速率為200~500rpm/min ;之后將混合好的物料倒出，放入烘箱干燥I~5h,使酒精揮發(fā)，以備稱量；第二步，按配方稱量，將球磨后的復(fù)合填料，加入到PTFE粉末中，加入酒精介質(zhì)，用超聲振動加手動攪拌的方法，使混合物料分散于PTFE中，形成復(fù)合介質(zhì)材料，最后，放入烘箱干燥I~5h，干燥過程中禁止攪拌，否則聚四氟乙烯的纖維結(jié)構(gòu)在高溫下受力會發(fā)生團(tuán)聚，影響復(fù)合材料的均勻性； 步驟二:冷壓成型 將復(fù)合粉料 均勻填入模腔中，壓制使用的模具直徑為18mm，壓力為10~15MPa ;所壓樣品厚度控制在I~2_，壓制時采用單面加壓，壓力必須緩慢而均勻地增加，壓力達(dá)到最大值后，要保壓5~1min;卸壓時先把壓力緩慢降至最大壓力的80%，保壓I~5min，然后將壓力完全撤去，脫模，修除樣品表面上的毛刺；環(huán)狀樣品的制備，需定制環(huán)狀的模具；若無模具先加工成圓柱狀，再在車床上打孔，內(nèi)徑為6_ ； 步驟三:燒結(jié)固化 采用能通保護(hù)氣體的管式燒結(jié)爐，調(diào)節(jié)升溫速率及保溫時間，燒結(jié)的目的是使聚合物分子鏈發(fā)生交聯(lián)固化，更好的包裹無機(jī)填料；實驗采用的升溫曲線為:先以80~100°C /h的速率升溫到200°C左右，不保溫，再以80~150°C /h的升溫速率升到最高溫度，保溫I~2h,最后，隨爐自然冷卻； PTFE熔點是327°C，熱分解溫度在370~400°C，溫度在415°C上發(fā)生分解并釋放劇毒氣體，因此嚴(yán)格控制加工最高溫度<40(TC ;燒結(jié)升溫階段應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速率，若升溫速度太快，壓件內(nèi)部受熱不均勻容易發(fā)生樣品變形；升溫速率和燒結(jié)時間，隨壓件的形狀和尺寸而變化，由于Fe3O4在加熱過程中容易發(fā)生氧化生成Fe2O3,因此，整個燒結(jié)過程在惰性氣體中進(jìn)行，保護(hù)氣采用氬氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相復(fù)合微帶天線基板材料，其特征在于:PTFE粉末在運(yùn)輸過程中，容易聚集成團(tuán)，致使混料時發(fā)生困難，無法將無機(jī)物均勻分散于有機(jī)物中，因此，在使用前，將PTFE放入冰箱進(jìn)行冷凍處理，使用時取出來，過40目篩，并在真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理，使水分揮發(fā)，過篩力度小。
【文檔編號】C08J3/24GK104130536SQ201410326932
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】肖志松, 程志宏 申請人:北京航空航天大學(xué)