Исследование свойств композитного материала для СВЧ-применений на основе PTFE с различной концентрацией и размером частиц керамического наполнителя

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.

1. Recent 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.2019.02.002

2. Flexible 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.

3. 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/coatings10070698

4. Microwave 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.2006.11.022

5. Microwave 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/srep22714

6. High-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.2020.154878

7. Electromagnonic 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.2020.0162

8. Multilayer 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.2005.1610270

9. Ye Y., Guo T. L. Hole metallisation technology for microwave printed circuit board // Transactions of the IMF. 2009. Vol. 87, № 4. P. 217–220. doi:10.1179/174591909X438866

10. Broadband 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/app12168259

11. Novel 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.2018.06.077

12. Yuan 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.2013.04.043

13. Mechanical 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.24454

14. Luukkonen 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.2011.2175897

15. Analysis 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/PIER16071706