Modulação de propriedades dielétricas em baixa

Apr 29, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13104 (2022) Citar este artigo

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Compósitos poliméricos com alta constante dielétrica e baixa tangente de perda são altamente considerados como substratos para eletrônicos modernos de alta velocidade. Neste trabalho, analisamos as propriedades dielétricas de alta frequência de dois tipos de compósitos à base de polipropileno infundidos com micropartículas de alta constante dielétrica. São utilizados dois tipos de cargas: cerâmica comercial ou óxido de titânio (TiO2) com diferentes concentrações. A principal observação é que a adição de cargas causa um aumento das constantes dielétricas em cerca de 100% (para cargas mais altas) até 4,2 e 3,4, para microcerâmicas e compósitos à base de TiO2, respectivamente. Curiosamente, para o compósito de TiO2, a tangente de perda depende do volume de carregamento de filler, enquanto o outro compósito tem uma tendência ligeiramente crescente, porém, estando no nível ~ 10–3. Para explicar os resultados experimentais, é proposto um modelo teórico determinado por reflexão e transmissão de micro-ondas através de um elemento de volume representativo, que permite investigar o impacto da razão de volume, formato do grão, agregação e tamanho na evolução da tangente de perda e permissividade. Esta abordagem pode ser usada para modelar outros materiais de baixa perda dielétrica com inclusões.

Os compósitos poliméricos ganharam atenção significativa durante a última década devido às suas inúmeras aplicações na vida moderna e na indústria. Um setor de desenvolvimento vital é o de dispositivos eletrônicos que trabalham em altas frequências, cuja miniaturização ainda é uma questão não resolvida devido à necessidade de produzir novos substratos dielétricos. A matriz polimérica é um candidato promissor para substratos devido à sua flexibilidade, leveza, baixo custo, produção em larga escala e alta resistência à quebra elétrica. No entanto, os substratos à base de polímero geralmente têm propriedades dielétricas bastante pobres em termos de baixa perda. Todas as características são cruciais para a produção de novos materiais com alta constante dielétrica e baixa tangente de perda que podem servir como substratos dielétricos para a fabricação de novos componentes eletrônicos de RF, por exemplo, sensores, antenas, capacitores e transistores FET. Materiais adequados de baixa perda devem exibir permissividade real > 2 e perda tangente < 10–2.

Uma das principais estratégias para aumentar a constante dielétrica em compósitos poliméricos é incorporar cargas cerâmicas com alta constante dielétrica e intensa polarização espontânea em uma matriz polimérica. Por exemplo, em compósito de poliimida com nanopartículas de TiO2, foi observado um aumento na constante dielétrica de aproximadamente 10% (para uma concentração de 7% de TiO2) e a tangente de perda do compósito cresceu aproximadamente quatro vezes1. A constante dielétrica com valor 4,4 para o composto TiO2-polidimetilsiloxano foi medida para uma alta concentração de inclusão atingindo 30% em peso2. A aplicação da mesma concentração de TiO2 no polímero PVDF resultou em um valor de \({\varepsilon }_{\mathrm{r}}\) de cerca de 103. Por sua vez, o valor recorde da constante dielétrica (\({\varepsilon } _{\mathrm{r}}\) = 133) foi obtido para BaTiO3- compósito de polímero de celulose cianoetilado para 51% em peso. concentração de cerâmica de bário4. Recentemente, dielétricos sintonizáveis ​​eletricamente, como cerâmicas Ba0.6Sr0.4TiO3, têm sido amplamente investigados como carga em polímeros. Por exemplo, um composto de PVDF com 40% em peso. Ba0.6Sr0.4TiO3 atingiu o valor 40 da constante dielétrica5. No entanto, esta estratégia tem limitações devido ao limite de carregamento de filler. Concentrações mais altas levam a menor processabilidade e flexibilidade mecânica6. A influência do tamanho de grão, formação de aglomerados ou correlação entre diferentes parâmetros de carga e mudanças na tangente de perda ainda não é descrita na literatura. Esta informação pode ser obtida correlacionando resultados experimentais com cálculos teóricos.