Modulazione delle proprietà dielettriche in basso

Apr 29, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13104 (2022) Citare questo articolo

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I compositi polimerici con elevata costante dielettrica e tangente a bassa perdita sono altamente considerati come substrati per la moderna elettronica ad alta velocità. In questo lavoro analizziamo le proprietà dielettriche ad alta frequenza di due tipi di compositi a base di polipropilene infuso con microparticelle ad alta costante dielettrica. Vengono utilizzati due tipi di riempitivi: ceramiche commerciali o ossido di titanio (TiO2) con diverse concentrazioni. L'osservazione chiave è che l'aggiunta dei riempitivi provoca un aumento delle costanti dielettriche di circa il 100% (per il carico più elevato) fino a 4,2 e 3,4, rispettivamente per la microceramica e i compositi a base di TiO2. È interessante notare che per il composito TiO2 la tangente di perdita dipende dal volume di riempimento del riempitivo, mentre l'altro composito ha tuttavia una tendenza leggermente crescente, attestandosi al livello ~ 10–3. Per spiegare i risultati sperimentali, viene proposto un modello teorico determinato dalla riflessione e trasmissione delle microonde attraverso un elemento di volume rappresentativo, che consente di studiare l'impatto del rapporto volumetrico, della forma dei grani, dell'aggregazione e della dimensione sulla tangente di perdita e sull'evoluzione della permettività. Questo approccio potrebbe essere utilizzato per modellare altri materiali a bassa perdita dielettrica con inclusioni.

I compositi polimerici hanno guadagnato una notevole attenzione negli ultimi dieci anni grazie alle loro numerose applicazioni nella vita moderna e nell’industria. Un settore di vitale sviluppo è quello dei dispositivi elettronici funzionanti ad alte frequenze, la cui miniaturizzazione è ancora un problema irrisolto a causa della necessità di produrre nuovi substrati dielettrici. La matrice polimerica è un candidato promettente per i substrati grazie alla sua flessibilità, leggerezza, basso costo, produzione su larga scala ed elevata resistenza alla rottura elettrica. Tuttavia, i substrati a base polimerica solitamente hanno proprietà dielettriche piuttosto scarse in termini di bassa perdita. Tutte le caratteristiche sono cruciali per la produzione di nuovi materiali con elevata costante dielettrica e tangente a bassa perdita che possono fungere da substrati dielettrici per la fabbricazione di nuovi componenti elettronici RF, ad esempio sensori, antenne, condensatori e transistor FET. I materiali adatti a basse perdite dovrebbero mostrare una permettività reale > 2 e una perdita tangente < 10–2.

Una delle principali strategie per aumentare la costante dielettrica nei compositi polimerici è quella di incorporare riempitivi ceramici con un'elevata costante dielettrica e un'intensa polarizzazione spontanea in una matrice polimerica. Ad esempio, nel composito di poliimmide con nanoparticelle di TiO2 è stato osservato un aumento della costante dielettrica di circa il 10% (per una concentrazione del 7% di TiO2) e la tangente di perdita del composito è aumentata di circa quattro volte1. La costante dielettrica con valore 4,4 per il composto TiO2-polidimetilsilossano è stata misurata per un'elevata concentrazione di inclusioni che raggiungeva il 30% in peso2. L'implementazione della stessa concentrazione di TiO2 nel polimero PVDF ha prodotto un valore \({\varepsilon }_{\mathrm{r}}\) di circa 103. A sua volta, il valore record della costante dielettrica (\({\varepsilon } _{\mathrm{r}}\) = 133) è stato ottenuto per il composito polimerico di cellulosa cianoetilata BaTiO3 per il 51% in peso. concentrazione di ceramiche di bario4. Recentemente, dielettrici sintonizzabili elettricamente come i ceramici Ba0.6Sr0.4TiO3 sono stati ampiamente studiati come riempitivi nei polimeri. Ad esempio, un composito PVDF con il 40% in peso. Ba0.6Sr0.4TiO3 ha raggiunto il valore 40 della costante dielettrica5. Tuttavia, questa strategia presenta limitazioni dovute alla soglia di caricamento del riempitivo. Concentrazioni più elevate comportano una minore lavorabilità e flessibilità meccanica6. L'influenza della dimensione dei grani, della formazione di cluster o della correlazione tra diversi parametri di carica e cambiamenti nella tangente di perdita non è ancora descritta in letteratura. Questa informazione può essere ottenuta correlando i risultati sperimentali con i calcoli teorici.