radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-2-16-24radioelectronics-733Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASИсследование свойств композитного материала для СВЧ-применений на основе PTFE с различной концентрацией и размером частиц керамического наполнителяResearch into the Properties of a Composite Material for Microwave Applications Based on PTFE with Different Concentrations and Particle Sizes of Ceramic Fillerhttps://orcid.org/0000-0002-5859-9621КозыревА. Б.KozyrevA. B.

Козырев Андрей Борисович – доктор технических наук (1990), профессор (1992) кафедры физической электроники и технологии. Автор более 200 научных работ. Сфера научных интересов – сверхпроводимость, сегнетоэлектричество, ионно-плазменная технология, устройства СВЧ, антенны.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Andrey B. Kozyrev, Dr Sci. (Eng.) (1990), Professor (1992) of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of more than 200 scientific publications. Area of expertise: superconductivity, ferroelectricity, ion-plasma technology, microwave devices, antennas.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

abkozyrev@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1017-5587КомлевА. Е.KomlevA. E.

Комлев Андрей Евгеньевич – кандидат технических наук (2011), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор более 60 научных работ. Сфера научных интересов – технология материалов электронной техники, плазма.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Andrey E. Komlev, Cand. Sci. (Eng.) (2011), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of more than 60 scientific publications. Area of expertise: technology of electronic equipment materials, plasma.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

aekomlev@etu.ruСосуновА. М.SosunovA. M.

Сосунов Алексей Михайлович – магистр по специальности "Электроника и наноэлектроника" (2020), аспирант кафедры физической электроники и технологии. Автор 7 научных работ. Сфера научных интересов – устройства СВЧ, методики измерения СВЧ-параметров.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Alexey M. Sosunov, Master in Electronics and Nanoelectronics (2020), Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 7 scientific publications. Area of expertise: microwave devices, methods of measuring microwave parameters.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

amsosunov@stud.eltech.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5932-2504АлтынниковА. Г.AltynnikovA. G.

Алтынников Андрей Геннадиевич – кандидат технических наук (2010), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор 68 научных работ. Сфера научных интересов – нелинейные материалы, устройства СВЧ, антенны, тонкие пленки.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Andrey G. Altynnikov, Cand. Sci. (Eng.) (2010), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 68 scientific publications. Area of expertise: nonlinear materials, microwave devices, antennas, thin films.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

agaltynnikov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4556-629XПлатоновР. А.PlatonovR. A.

Платонов Роман Андреевич – кандидат технических наук (2018), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор 47 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика, устройства СВЧ, антенны.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Roman A. Platonov, Cand. Sci. (Eng.) (2018), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 47 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics, microwave devices, antennas.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

raplatonov@etu.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2023300420232621624Copyright © Козырев А.Б., Комлев А.Е., Сосунов А.М., Алтынников А.Г., Платонов Р.А., 20232023Козырев А.Б., Комлев А.Е., Сосунов А.М., Алтынников А.Г., Платонов Р.А.Kozyrev A.B., Komlev A.E., Sosunov A.M., Altynnikov A.G., Platonov R.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/733

Введение. Технология печатных плат является наиболее распространенной в современном электронном приборостроении. Платы для СВЧ-диапазона частот изготавливаются на основе фольгированных композитных материалов, в частности на основе политетрафторэтилена. В данный момент отечественное производство подобного класса материалов отсутствует. Информация, касающаяся зарубежной технологии изготовления композитного материала и влияния наполнителя на его характеристики, является закрытой. Поэтому актуальной задачей является поиск и исследование свойств композитных материалов для СВЧ-применения со свойствами, аналогичными зарубежным аналогам.Цель работы. Экспериментальное определение зависимости электрических и механических свойств композитного материала на основе политетрафторэтилена от концентрации и размера фракции диоксида титана.Материалы и методы. Механические свойства образцов композитного материала измерялись методом гидростатического взвешивания. Исследовались прочность и относительное удлинение при разрыве с помощью разрывной машины РМИ-250. СВЧ-параметры определялись с помощью метода Николсона–Росса–Вейра.Результаты. Представлены результаты экспериментального исследования механических свойств и СВЧпараметров экспериментальных образцов композитного материала на основе политетрафторэтилена: с 10 %-м содержанием керамических порошков диоксида титана (размер фракции 10, 49 и 126 мкм); с 5, 10 и 15 %-м содержанием керамического порошка диоксида титана (размер фракций у политетрафторэтилена – 49 мкм и у диоксида титана – 126 мкм).Заключение. Результаты демонстрируют перспективность применения композиций на основе PTFE и порошка диоксида титана в качестве основы для СВЧ-материалов. Установлена корреляция между процентным содержанием вводимого керамического наполнителя и СВЧ-параметрами материала. Исследования продемонстрировали незначительное отличие в СВЧ-свойствах изготовленных образцов композитного материала при различном соотношении между размерами частиц диоксида титана и PTFE. Однако при этом наблюдается значительное снижение их механических свойств.

Introduction. The technology of printed circuit boards (PCBs) is widely used in modern electronic instrumentation. PCBs for the microwave frequency range are made based on foil composite materials, in particular, polytetrafluoroethylene (PTFE). At the moment, there is no domestic production of such a class of materials. Information concerning foreign manufacturing technologies in this field and the influence of the filler on the characteristics of the composite material remains confidential. Therefore, research into the properties of composite materials for microwave applications with properties similar to foreign analogues seems relevant.Aim. Experimental determination of the dependence of the electrical and mechanical properties of a composite material based on polytetrafluoroethylene depending on the concentration and size of the titanium dioxide fraction.Materials and methods. Experimental determination of the dependence of the electrical and mechanical properties of a composite material based on PTFE depending on the concentration and size of the titanium dioxide fraction.Results. The results of an experimental study of the mechanical properties and microwave parameters of experimental samples of composite material based on PTFE are presented, namely: composite material with 10 % content of ceramic titanium dioxide powders (fraction size 10, 49 and 126 µm); composite material with 5, 10 and 15 % content of ceramic titanium dioxide powder (fraction size 49 µm for polytetrafluoroethylene and 126 µm for titanium dioxide).Conclusion. The results obtained demonstrate prospects for using compositions based on PTFE and titanium dioxide powder as a basis for microwave materials. A correlation was established between the percentage of the introduced ceramic filler and the microwave parameters of the material. The studies demonstrated a slight difference in the microwave properties of the manufactured composite material samples with a different ratio between the particle sizes of titanium dioxide and PTFE. However, a significant decrease in their mechanical properties was observed.

СВЧ-материалыдиэлектрический композитполитетрафторэтилендиоксид титанаmicrowave materialsdielectric compositepolytetrafluoroethylenetitanium dioxideReferencesRecent advances in lead-free dielectric materials for energy storage / K. Zou, Y. Dan, H. Xu, Q. Zhang, Y. Lu, H. Huang, Y. He // Materials Research Bulletin. 2019. Vol. 113. P. 190–201. doi:10.1016/j.materresbull.2019.02.002Zou K., Dan Y., Xu H., Zhang Q., Lu Y., Huang H., He Y. Recent Advances in Lead-Free Dielectric Materials for Energy Storage. Materials Research Bulletin. 2019, vol. 113, pp. 190–201. doi:10.1016/j.materresbull.2019.02.002Flexible and transparent capacitive pressure sensor with patterned microstructured composite rubber dielectric for wearable touch keyboard application / R. Shi, Zh. Lou, Sh. Chen, G. Shen // Science China Materials. 2018. Vol. 61, № 12. P. 1587–1595.Shi R., Lou Zh., Chen Sh., Shen G. Flexible and Transparent Capacitive Pressure Sensor with Patterned Microstructured Composite Rubber Dielectric for Wearable Touch Keyboard Application. Science China Materials. 2018, vol. 61, no. 12, pp. 1587–1595.Research progress of high dielectric constant zirconia-based materials for gate dielectric application / J. Xie, Zh. Zhu, H. Tao, Sh. Zhou, Zh. Liang, Zh. Li, R. Yao, Y. Wang, H. Ning, J. Peng // Coatings. 2020. Vol. 10, № 7. P. 698. doi:10.3390/coatings10070698Xie J., Zhu Zh., Tao H., Zhou Sh., Liang Zh., Li Zh., Yao R., Wang Y., Ning H., Peng J. Research Progress of High Dielectric Constant Zirconia-Based Materials for Gate Dielectric Application. Coatings. 2020, vol. 10, no. 7, p. 698. doi:10.3390/coatings10070698Microwave composite dielectrics based on magnesium titanates / A. G. Belous, O. Ovchar, D. Durylin, M. Valant // J. of the European Ceramic Society. 2007. Vol. 27, № 8–9. P. 2963–2966. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2006.11.022Belous A. G., Ovchar O., Durylin D., Valant M. Microwave Composite Dielectrics Based on Magnesium Titanates. J. of the European Ceramic Society. 2007, vol. 27, no. 8–9, pp. 2963–2966. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2006.11.022Microwave dielectric characterisation of 3Dprinted BaTiO3/ABS polymer composites / F. Castles, D. Isakov, A. Lui, Q. Lei, C. E. J. Dancer, Y. Wang, J. M. Janurudin, S. C. Speller, C. R. M. Grovenor, P. S. Grant // Scientific Reports. 2016. Vol. 6, № 1. P. 1–8. doi:10.1038/srep22714Castles F., Isakov D., Lui A., Lei Q., Dancer C. E. J., Wang Y., Janurudin J. M., Speller S. C., Grovenor C. R. M., Grant P. S. Microwave Dielectric Characterisation of 3D-Printed BaTiO3/ABS Polymer Composites. Scientific Reports. 2016, vol. 6, no. 1, pp. 1–8. doi:10.1038/srep22714High-performance microwave dielectric composite ceramics sintered at low temperature without sintering-aids / R. Peng, Y. Li, Y. Lu, Y. Yun, W. Du, Zh. Tao, B. Liao // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 831. P. 154878. doi:10.1016/j.jallcom.2020.154878Peng R., Li Y., Lu Y., Yun Y., Du W., Tao Zh., Liao B. High-Performance Microwave Dielectric Composite Ceramics Sintered at Low Temperature without Sintering-Aids. J. of Alloys and Compounds. 2020, vol. 831, p. 154878. doi:10.1016/j.jallcom.2020.154878Electromagnonic crystals based on ferrite–ferroelectric–ferrite multilayers / A. A. Nikitin, A. A. Nikitin, I. L. Mylnikov, A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2020. Vol. 14, № 12. P. 1304–1309. doi:10.1049/iet-map.2020.0162Nikitin A. A., Nikitin A. A., Mylnikov I. L., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Electromagnonic Crystals Based on Ferrite–Ferroelectric–Ferrite Multilayers. IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2020, vol. 14, no. 12, pp. 1304–1309. doi:10.1049/iet-map.2020.0162Multilayer RF PCB for space applications: technological and interconnections trade-off / M. Paillard, F. Bodereau, C. Drevon, P. Monfraix, J. L. Cazaux, L. Bodin, P. Guyon // European Microwave Conf. 2005. Vol. 3. P. 1642. doi:10.1109/EUMC.2005.1610270Paillard M., Bodereau F., Drevon C., Monfraix P., Cazaux J. L., Bodin L., Guyon P. Multilayer RF PCB for Space Applications: Technological and Interconnections Trade-Off. European Microwave Conf. 2005, vol. 3, p. 1642. doi:10.1109/EUMC.2005.1610270Ye Y., Guo T. L. Hole metallisation technology for microwave printed circuit board // Transactions of the IMF. 2009. Vol. 87, № 4. P. 217–220. doi:10.1179/174591909X438866Ye Y., Guo T. L. Hole Metallisation Technology for Microwave Printed Circuit Board. Transactions of the IMF. 2009, vol. 87, no. 4, pp. 217–220. doi:10.1179/174591909X438866Broadband Dielectric Characterization of High-Permittivity Rogers Substrates via Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Reflection Mode / W. Fuscaldo, F. Maita, L. Maiolo, R. Beccherelli, D. C. Zografopoulos // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, № 16. P. 8259. doi:10.3390/app12168259Fuscaldo W., Maita F., Maiolo L., Beccherelli R., Zografopoulos D. C. Broadband Dielectric Characterization of High-Permittivity Rogers Substrates via Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Reflection Mode. Applied Sciences. 2022, vol. 12, no. 16, p. 8259. doi:10.3390/app12168259Novel high dielectric constant and low loss PTFE/CNT composites / H. Peng, H. Ren, M. Dang, Y. Zhang, X. Yao, H. Lin // Ceramics International. 2018. Vol. 44, № 14. P. 16556–16560. doi:10.1016/j.ceramint.2018.06.077Peng H., Ren H., Dang M., Zhang Y., Yao X., Lin H. Novel High Dielectric Constant and Low Loss PTFE/CNT Composites. Ceramics International. 2018, vol. 44, no. 14, pp. 16556–16560. doi:10.1016/j.ceramint.2018.06.077Yuan Y., Zhang S. R., Zhou Z. H. MgTiO3 filled PTFE composites for microwave substrate applications // Materials Chemistry and Physics. 2013. Vol. 141, № 1. P. 175–179. doi:10.1016/j.matchemphys.2013.04.043Yuan Y., Zhang S. R., Zhou Z. H. MgTiO3 filled PTFE Composites for Microwave Substrate Applications. Materials Chemistry and Physics. 2013, vol. 141, no. 1, pp. 175–179. doi:10.1016/j.matchemphys.2013.04.043Mechanical properties, crystallization characteristics, and foaming behavior of polytetrafluoroethylene‐reinforced poly (lactic acid) composites / A. Huang, H. Kharbas, T. Ellingham, H. Mi, L. Sh. Turng, X. Peng // Polymer Engineering & Science. 2017. Vol. 57, № 5. P. 570–580. doi:10.1002/pen.24454Huang A., Kharbas H., Ellingham T., Mi H., Turng L. Sh., Peng X. Mechanical Properties, Crystallization Characteristics, and Foaming Behavior of Polytetrafluoroethylene‐Reinforced Poly (Lactic Acid) Composites. Polymer Engineering & Science. 2017, vol. 57, no. 5, pp. 570–580. doi:10.1002/pen.24454Luukkonen O., Maslovski S. I., Tretyakov S. A. A stepwise Nicolson–Ross–Weir-based material parameter extraction method // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2011. Vol. 10. P. 1295–1298. doi:10.1109/LAWP.2011.2175897Luukkonen O., Maslovski S. I., Tretyakov S. A. A Stepwise Nicolson–Ross–Weir-based Material Parameter Extraction Method. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2011, vol. 10, pp. 1295–1298. doi:10.1109/LAWP.2011.2175897Analysis of the Nicolson-Ross-Weir method for characterizing the electromagnetic properties of engineered materials / E. J. Rothwell, J. L. Frasch, S. M. Ellison, P. Chahal, R. O. Ouedraogo // Progress In Electromagnetics Research. 2016. Vol. 157. P. 31–47. doi:10.2528/PIER16071706Rothwell E. J., Frasch J. L., Ellison S. M., Chahal P., Ouedraogo R. O. Analysis of the NicolsonRoss-Weir Method for Characterizing the Electromagnetic Properties of Engineered Materials. Progress in Electromagnetics Research. 2016, vol. 157, pp. 31–47. doi:10.2528/PIER16071706

The authors declare that there are no conflicts of interest present.