高频微波用的聚四氟乙烯复合材料：导热、粘结与介电性能的协同优化

聚四氟乙烯（PTFE）因其低介电损耗和高稳定性，被广泛应用于高频微波覆铜板的聚合物基材。然而，其固有的低导热性能需要引入高含量的填料，这使得在复合材料中实现导热性能、粘结强度和介电损耗之间的平衡变得复杂。在本研究中，我们提出了一种含混合填料网络的PTFE复合材料，其中二维六方氮化硼（h-BN）与颗粒状β-氮化硅（Si₃N₄）协同排列和相互作用，构建了垂直方向上互联的热传导路径。大尺寸h-BN的空间排布能够在Si₃N₄网络中搭建热桥并缩短热传导路径，从而形成稳固且完善的垂直导热通道，使复合材料的垂直导热系数达到1.6 W/m·K。此外，颗粒状Si₃N₄能够降低应力集中，提高粘结强度，而h-BN的宽禁带和弱极性有助于显著降低介电损耗，两种填料协同提升了复合材料的整体性能。这种组合使复合材料与铜箔的剥离强度达到1.3 N/mm，并在10 GHz频率下实现了极低的介电损耗（<0.0011）。所制备的PTFE复合材料能够在高频通信设备中确保信号传输的可靠性、稳定性和安全性，展现出其在电子行业中的巨大应用潜力。

图1 (a) 各频段电磁波的性能及技术应用概览，重点突出了对介电性能、导热性能和粘附性能的材料需求。(b)不同聚合物的介电性能对比。(c)各类填料的导热性能和禁带宽度值。

图2 (a) 样品制备过程的示意图，包括流延工艺和热压工艺。(b) Si₃N₄颗粒和Si₃N₄-PTFE复合材料的SEM图像。(c) h-BN片状结构及h-BN-PTFE复合材料的SEM图像。(d) h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的SEM及EDS图像。(e) Si₃N₄-PTFE、h-BN-PTFE和h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料中填料分布的示意图。(f)通过热压工艺制备PTFE覆铜板的示意图。(g)覆铜板剥离过程的示意图及铜箔去除后PTFE复合材料表面的SEM图像。

图3 (a) Si₃N₄和h-BN的粒径分布。(b) 不同粒径和填料含量的Si₃N₄-PTFE复合材料的导热性能。(c)不同粒径和填料含量的Si₃N₄-PTFE复合材料的介电损耗。(d)不同粒径和填料含量的h-BN-PTFE复合材料的导热性能。(e)不同粒径和填料含量的h-BN-PTFE复合材料的介电损耗。(f)不同粒径（填料含量为40 vol%）的Si₃N₄-PTFE和h-BN-PTFE复合材料的剥离强度。(g)去除铜箔后的Si₃N₄-PTFE复合材料（填料体积分数为50%）的SEM图像。(h)去除铜箔后的h-BN-PTFE复合材料（填料体积分数为50%）的SEM图像。(i)材料特性参数（填料类型、填料粒径和填充含量）与性能指标（导热性能、介电损耗、介电常数、剥离强度）之间的相关系数矩阵。

图4 (a) 不同复合比例（体积分数为40 vol%）的h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的导热性能。(b) Si₃N₄-PTFE、h-BN-PTFE和h-BN/Si3N4-PTFE的XRD分析。(c)不同复合比例（体积分数为40 vol%）的h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的介电性能。(d)不同复合比例（体积分数为40 vol%）的h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的剥离强度。(e) Si₃N₄-PTFE、h-BN-PTFE和h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的TMA曲线及CTE值。(f) Si₃N₄-PTFE、h-BN-PTFE和h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的热重曲线。(g)不同填料含量的h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料的导热性能与粘附性能。(h) h-BN/Si₃N₄-PTFE的介电性能与导热性能对比，结合其他文献中的数据。(i) h-BN/Si₃N₄-PTFE整体性能与商业产品的对比。

图5 (a) 热红外演示实验的示意图。(b)热红外演示图中PTFE、h-BN/Si₃N₄-PTFE、Si₃N₄-PTFE和h-BN-PTFE位置的示意图。(c)在不同加热和冷却时间拍摄的红外图像。(d) PTFE、h-BN/Si₃N₄-PTFE、Si₃N₄-PTFE和h-BN-PTFE表面在加热过程中平均温度随时间变化的曲线。(e) PTFE、h-BN/Si₃N₄-PTFE、Si₃N₄-PTFE和h-BN-PTFE表面在冷却过程中平均温度随时间变化的曲线。

文章通过设计一个由h-BN和Si₃N₄组成的多组分混合填料网络，解决了在PTFE复合材料中实现高导热性、低介电损耗和强粘附性的挑战。h-BN的高平面内导热性能与Si₃N₄颗粒的空间约束相结合，使得复合材料在垂直方向上形成了一个完善的热传导网络，从而大幅提升了复合材料的导热性能，达到了1.6 W/m·K。同时，由于填料的宽禁带和弱极性，复合材料在10 GHz下保持了低介电损耗（Df < 0.0011），并且由于Si₃N₄提供的应力分布，复合材料表现出优异的粘附性能（1.3 N/mm）。在45 vol%填料含量下，复合材料确保了低的热膨胀系数（CTE为43.9 ppm/K）。实验结果和有限元模拟表明，填料网络对导热性能的积极影响以及对介电损耗的最小影响。总体而言，h-BN/Si₃N₄-PTFE复合材料表现出卓越的性能，是高频和高速应用的有力候选材料。未来的研究可以探索新的填料组合和制造工艺，以提升这些复合材料在更广泛应用中的性能和多样性。

相关成果以“Polytetrafluoroethylene Composites for High-Frequency Microwave Applications: Balancing Thermal Conductivity, Adhesion and Dielectric Properties”为题发表在《Composites Science and Technology》上。文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院博士生何璐，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院副研究员吴凯和四川大学高分子科学与工程学院博士后张永正。

原文链接：DOI:10.1016/j.compscitech.2024.111012