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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紙

2024-11-04 來源：高分子科技

在物聯網中，無線通信技術是實現設備互聯的前提。而作為發送與接收無線電波的設備，射頻天線是無線通信中信號傳輸速度與質量的決定因素。為適應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計與開發。低介電材料是擁有較低介電常數和介電損耗的材料，廣泛用于高頻電路板、天線襯底以及天線保護罩等領域，有助于降低信號傳輸延遲和損耗。目前被用于低介電應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用需求。

天然高分子是源于自然界的一類環境友好、可生物降解的高分子材料。天線襯底應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（6-8）較高，需要將其制成多孔結構，降低其介電常數以適應低介電應用。

考慮到成本因素，本工作摒棄了常規的復雜繁瑣的制孔技術，直接以超低成本的商用復印紙為基礎進行后續的設計與改性。在稀酸處理除去CaCO₃后，采用溫和的TEMPO催化氧化技術向復印紙修飾高反應性的-COONa基團，并且氧化后的復印紙呈現出宏觀的厚度膨脹，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）復合，提高紙張的導熱性和疏水性（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，浸漬紙有著優良的柔韌性、導熱性（面內導熱率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的多層紙張，從而輕松的調節制品厚度（圖6）。

圖1：商用復印紙的改性流程圖

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：紙張樣品的導熱性、疏水性、抗菌性及力學性能測試（A）ZIF-67紙與浸漬紙的垂直導熱性測試；（B）商用復印紙與浸漬紙的水接觸角和吸水率測試；（C）商用復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

浸漬紙對于絲網印刷工藝和有機溶劑系導電油墨均展現出良好的適應性。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頻段的介電常數可能小于3。并且，浸漬紙在不同曲率砝碼表面表現出良好的共形能力，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）商用復印紙、酸處理紙與浸漬紙的介電常數對比；（B）商用復印紙、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”為題發表于Cell Reports Physical Science, 2024,5, 102253中，文章第一作者為武漢理工大學博士生牛富堃，通訊作者為武漢理工大學楊全嶺教授。

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

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（責任編輯：xu）

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