[發明專利]一種低介電常數和介電損耗的環氧樹脂復合材料及其制備方法以及應用

在審

• 申請號: 202211655933.5
• 申請日: 2022-12-22
• 公開（公告）號: CN115819927A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 汪謨貞;劉寧宇;葛學武
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K7/26;C08G59/24;C08L25/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 俱玉云

本發明提供了一種低介電常數和介電損耗的環氧樹脂復合材料，由中空微球材料與環氧樹脂制備而成，所述中空微球材料選自納米中空有機微球或納米中空無機微球。本發明提供的環氧樹脂復合材料可以均勻的分散于環氧樹脂基體中，尤其是納米中空有機微球在添加量在不少于10％的條件下依然可以均勻的分散于基體中，實現了復合材料的低介電常數和低介電損耗。結果表明，與未填充環氧樹脂基體相比，所制備的中空微球/環氧樹脂復合材料的介電常數和介電損耗明顯降低，在1MHz下的介電常數最低可達1.58，介電損耗最低可達0.013。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，具體涉及一種低介電常數和介電損耗的環氧樹脂復合材料及其制備方法以及應用。

背景技術

5G通信采用毫米波波段，其優點是延時低、傳播速度快，但隨之而來的缺點是穿透力差、衰減大，所以對傳播介質材料介電性能的要求是介電常數和介電損耗越小越好。現有的4G通信用材料的介電常數要求在3.4-3.7之間，而5G通信的傳輸速率是4G通信的100倍，在傳輸介質中的信號衰減也相應增加，現有4G通信用材料不能滿足5G通信的推廣應用。理論上預計5G通訊用介質的介電常數至少要在2.8-3.2之間，越小越好。目前在5G通信領域使用的一些低介電材料主要有聚四氟乙烯樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂以及環氧樹脂等。其中聚四氟乙烯的介電常數最小，典型值在2.0左右，但是聚四氟乙烯表面呈惰性很難進行活化且粘結性能差、價格昂貴。(Huang A,Liu F,Cui ZX,et al.CompositesScience and Technology,2021,214:108980)環氧樹脂具有良好的粘性、優異的熱穩定性和機械性能、成本低、加工性能好等優點，但是大多數環氧樹脂材料的介電常數范圍在3.5-5.0之間(何曼君,陳維孝,董西俠.高分子物理(修訂版)[M].上海:復旦大學出版社,2006:372-392)，不能滿足5G通信用低介電常數的要求。

目前制備低介電常數環氧樹脂材料的方法主要有兩種。一是對環氧樹脂體系進行化學改性，在環氧樹脂單體或固化劑分子鏈上中引入低電子極化率的結構如C-C、C-Si鍵等，降低環氧樹脂材料內部化學結構的電子密度，以達到降低介電常數的目的。如使用苯基硅氧烷偶聯劑改性雙酚A型環氧樹脂，改性前后的樹脂在1MHz頻率下的介電常數分別為4.2和2.8(Li C,Fan H,Tariq A,et al.ACS Sustainable ChemistryEngineering,2018,6:8856-8867)。也可以在環氧樹脂單體或固化劑分子鏈上中引入氟原子，因為氟原子有很強的電負性，能起到束縛電子的作用，從而降低電子的極化率，進而降低環氧樹脂的介電常數。如通過化學法合成含氟酸酐封端的酰亞胺齊聚物(6FDA-ODA)，并將其用作環氧樹脂固化劑，制備得到氟原子改性環氧樹脂材料。與未改性前相比，其1MHz下介電常數從3.47下降到了3.23(Wu MH,Liu X,Zhou YB,etal.Chemical Engineering Journal,2022,437:135437)。上述方法所用到的原料有一定的毒性，且成本較高，難以大規模使用。第二種降低環氧樹脂材料介電常數的方法是在環氧樹脂基體中引入低介電常數的組分，比如介電常數為1的空氣。例如用平均粒徑為20μm中空玻璃微珠(HGMs)填充環氧樹脂時，當HGMs的體積百分數達到60.7％時，填充前后環氧樹脂在3MHz時的介電常數分別為4.16和2.42(Wu BY,LiuHB,Fu RL,et al.Journal of Alloys and Compounds,2021,869:159332)。用50nm左右的中空二氧化硅(H-SiO₂)粒子填充環氧樹脂，當H-SiO₂的質量分數為10％時，測得1MHz環氧樹脂在下的介電常數分別為3.35和2.65(張翠翠,周宏,朱君.絕緣材料,2011,3:44)。上述兩種材料中，中空玻璃微珠(HGMs)粒徑一般在微米級別，不利于在5G通信領域里超薄高精密元器件中使用。而粒徑過小的H-SiO₂，由于巨大的表面能，極易團聚，分散困難。因此，目前用于制備5G通信用低介電環氧樹脂復合材料所用填料的開發仍在研究探索中。

發明內容