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石英纤维:“我耐高温、介电常数低!”
2020年06月22日 发布 分类:粉体入门 点击量:193
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今天带大家了解一下“小众产品石英纤维”,这个看起来很偏门的玩意可是航天军工领域不可或缺的材料哦。除了应用于高大上的特殊领域外,石英纤维因具有介电常数低(约3.7),介电损耗因子小(低于0.001)特点,也是5G超高速布线基板的优选材料。PS:与普通纤维相比,石英纤维造价可谓之很高昂,因此石英纤维只能走高端应用的路线。

石英纤维超细砂 

石英纤维超细砂(图片来源:神玖天航新材)

石英纤维?玻璃纤维?傻傻分不清楚?

石英纤维与玻璃纤维的关系:玻璃纤维有很多种,石英纤维是其中的一种(因此也有石英玻璃纤维的说法),主要特点是二氧化硅含量高高高。

走一下题,科普一下玻璃纤维类别。玻璃纤维的分类方法很多,可从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观、生产方法及纤维特性等方面进行分类。目前最为通俗的分类方法是以玻璃原料成分分类(主要用于连续玻璃纤维的分类),通常按碱金属氧化物含量来区分,碱金属氧化物(R20)是普通玻璃的主要组分之一,其主要作用是降低玻璃的熔点,一般指氧化钠、氧化钾,由纯碱、芒硝、长石等物质引人。但玻璃中碱金属氧化物的含量愈高,它的化学稳定性、电绝缘性能和强度都会相应降低。因此,对不同用途的玻璃纤维,常采用不同含碱量的玻璃成分。因此有如下类别:a、无碱纤维(通称E玻璃)。R20含量小于0.8%,是一种铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性能、强度都很好。b、中碱纤维(通称C玻璃)。R20的含量为11.9%-16.4%,是一种钠钙硅酸盐成分,因其含碱量高,不能作电绝缘材料,但其化学稳定性和强度尚好。c、特种玻璃纤维。在玻纤业内,玻璃纤维泛指无碱和中碱产品这两大类产品,因此这个不好分类了,整个特种玻璃区分一下,常见的系列有,纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维、镁铝硅系高强高弹玻璃纤维、硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维、含铅纤维、高硅氧纤维及石英纤维等都属于特种玻璃纤维系列。

玻璃纤维的应用 

玻璃是一种以脆闻名的物质,但有趣的是,玻璃一旦经加热,被拉制成比头发还要细得多的玻璃纤维之后,它就变得像合成纤维那样柔软,而坚韧的程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝,此外玻璃纤维具有优秀的电绝缘性能,同时耐高温,抗腐蚀能力强。因此玻璃纤维常常用做强化塑料的补强材料,高级电绝缘材料,绝热材料和防火材料屏蔽材料等。

石英玻璃纤维的特点

相比于含有大量其它杂七杂八元素的玻璃纤维,一般我们能叫做石英纤维或石英玻璃纤维的其二氧化硅含量应当在99.9%以上。它是采用高纯石英/二氧化硅或天然水晶为原料制得的一种无机纤维,直径一般为一微米~几十微米。

石英纤维二氧化硅含量高,保持了固体石英的一些特点和性能,具有很高的耐热性,高温和高频率电绝缘性,耐烧蚀,抗热震,良好的化学稳定性,能长期在1050℃以下使用,瞬间耐高温达1700℃,抗拉强度是普通纤维的3倍。此外它还具有着优越的介电性能,它的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最低的,1MHz的介电常数为3.70,介质损耗系数低于为0.001,在高频及700℃以下区域,石英纤维局具有最低和最稳定的介电常数和介电损耗,同时强度可以保留70%以上。

石英纤维的特点 

综上,石英纤维的特点:耐热性好!力学性能优秀!高温和宽频条件下透波能力优秀!是雷达罩、电磁发射窗口和低介电产品的优选材料。

热点应用1:耐高温透波材料

耐高温透波材料是指对波长在1~1000mm,频率在0.3~300GHz的电磁波的单向透过率大于70%的材料,它是兼有耐高温性能与透波性能的介质材料,主要用于制造飞行器的天线罩和天线窗,用于保护雷达天线或整个微波系统在恶劣环境下能够正常工作。

雷达天线罩选材的依据是高强度、高模量、耐候性好、介电性能好等,其中的介电性能具体包括介电常数(ε)和损耗角正切(tanδ),tanδ越大,电磁波能量在穿透天线罩过程中转化为热量而损耗的能量就越多;ε越大,电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大,从而导致镜像波瓣电平增加和传输效率降低。因此,要求雷达天线罩罩体材料的ε尽可能低,tanδ低至接近于0,以达到最大传输和最小反射的目的。此外,如果是在高温下使用,还要保证材料的介电常数和损耗角正切值不随着温度、频率有明显的变化,以保证气动加热条件下,尽可能不失真的透过电磁波。

石英玻璃纤维工作频率与介电常数 

石英玻璃纤维工作频率与介电常数

石英纤维耐温能力优秀,介电性能相对于普通玻纤的介电性更加优越,石英纤维的损耗角正切(tanδ)和介电常数(ε)在玻璃纤维体系中最低,石英玻璃纤维织物增强的二氧化硅基复合材料因含有一定的孔隙率,具有较低的介电常数较高的透过率且在较宽频带范围内基本不变化,同时与酚醛树脂、环氧树脂等树脂基体都有很好的兼容性,因很适合作为高温高频透波天线罩材料的增强体。

热点应用2:高频高速低介电低损耗基板材料

电子信息产品特别是微波器件的高速发展,集成度的提高和数字化、高频化、多功能化的发展对高频基板材料提出了更高的要求,此外,随着5G的商业化进程逐步推进,高频高速基板的需求日益明显。

实现PCB的高频高速化,通常通过如下几个方面进行:对树脂和玻纤及整体结构的改进,或通过布线或其他方式改进基板的特性。从材料角度考虑,低介电常数及低介质损耗因数的材料最合适。

5G射频低损耗基材 

5G射频低损耗基材(来源:生益科技)

PCB传输速度影响因素。在高频电路中,信号传输速度与基板介电常数呈现反相关(此处公式略去),基板介电常数越低,信号传播得越快,因此想要得到高的信号传输速率,就必须研究开发低介电常数的基板材料。

PCB板的信号传输损失。导体电路上的传输损失中的介质损失主要是受到基板材料绝缘层的介电常数(ε)、介质损失因数(tanδ)所支配。传输损失的影响与介电常数(ε)、介质损失因数(tanδ)的大小成正比,并与介质工作时的频率大小相关。在同一介电常数(ε)或介质损失因数(tanδ),频率越高,其传输损失就越大,基板(tanδ)越小,信号传播的衰减越小。因此在高频电路基板材料的选择或者研究开发时,要求其具有较低的介电常数(ε)或介质损失因数(tanδ)。

PCB板材结构 

玻纤增强材料是高频基板复合材料中力学强度的主要承担者,一般来说其介电常数高于树脂基体,又在复合材料中占有较高的体积含量,因此它是决定复合材料介电性能的主要因素。世界各国生产的硅酸盐成分的玻纤织物组成大体相同,其基础成分都是SiO2\AI2O3\CaO三元系统,重量百分比在小范围内波动。常温下构成玻璃网络的硅氧或硼氧、铝氧骨架无弱联系离子,几乎不导电。但是网络中充填了阳离子,特别是碱金属离子时,点阵结构在碱金属离子处中断,形成弱联系离子,产生热离子极化,这是影响玻璃介电性能的主要因素

目前通常采用的是无碱玻纤(E玻纤),其介电常数为7.2(1MHz),不能满足高频高速电路的要求。石英玻璃纤维布的介电常数及消耗因数低,且线膨胀系数低于1ppm/℃,传输损耗(电信号的劣化程度)的特性极为优异,适用于5G超高速布线基板材料,但它的加工成本较高,单独使用不合适,或许通过对不同品质的玻纤进行合理选配,或许能在保证低介电性能的同时,很好的解决工业化生产成本的问题。此外,及细且强度好的石英纤维有利于制备更加轻薄的基板产品。

粉体圈 作者Alpha

 

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