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石英纖維:“我耐高溫、介電常數低!”
2020年06月22日 發布 分類:粉體入門 點擊量:1901
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今天帶大家了解一下“小眾產品石英纖維”,這個看起來很偏門的玩意可是航天軍工領域不可或缺的材料哦。除了應用于高大上的特殊領域外,石英纖維因具有介電常數低(約3.7),介電損耗因子小(低于0.001)特點,也是5G超高速布線基板的優選材料。PS:與普通纖維相比,石英纖維造價可謂之很高昂,因此石英纖維只能走高端應用的路線。

石英纖維超細砂 

石英纖維超細砂(圖片來源:神玖天航新材)

石英纖維?玻璃纖維?傻傻分不清楚?

石英纖維與玻璃纖維的關系:玻璃纖維有很多種,石英纖維是其中的一種(因此也有石英玻璃纖維的說法),主要特點是二氧化硅含量高高高。

走一下題,科普一下玻璃纖維類別。玻璃纖維的分類方法很多,可從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀、生產方法及纖維特性等方面進行分類。目前最為通俗的分類方法是以玻璃原料成分分類(主要用于連續玻璃纖維的分類),通常按堿金屬氧化物含量來區分,堿金屬氧化物(R20)是普通玻璃的主要組分之一,其主要作用是降低玻璃的熔點,一般指氧化鈉、氧化鉀,由純堿、芒硝、長石等物質引人。但玻璃中堿金屬氧化物的含量愈高,它的化學穩定性、電絕緣性能和強度都會相應降低。因此,對不同用途的玻璃纖維,常采用不同含堿量的玻璃成分。因此有如下類別:a、無堿纖維(通稱E玻璃)。R20含量小于0.8%,是一種鋁硼硅酸鹽成分。它的化學穩定性、電絕緣性能、強度都很好。b、中堿纖維(通稱C玻璃)。R20的含量為11.9%-16.4%,是一種鈉鈣硅酸鹽成分,因其含堿量高,不能作電絕緣材料,但其化學穩定性和強度尚好。c、特種玻璃纖維。在玻纖業內,玻璃纖維泛指無堿和中堿產品這兩大類產品,因此這個不好分類了,整個特種玻璃區分一下,常見的系列有,純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維、鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維、硅鋁鈣鎂系耐化學介質腐蝕玻璃纖維、含鉛纖維、高硅氧纖維及石英纖維等都屬于特種玻璃纖維系列。

玻璃纖維的應用 

玻璃是一種以脆聞名的物質,但有趣的是,玻璃一旦經加熱,被拉制成比頭發還要細得多的玻璃纖維之后,它就變得像合成纖維那樣柔軟,而堅韌的程度甚至超過了同樣粗細的不銹鋼絲,此外玻璃纖維具有優秀的電絕緣性能,同時耐高溫,抗腐蝕能力強。因此玻璃纖維常常用做強化塑料的補強材料,高級電絕緣材料,絕熱材料和防火材料屏蔽材料等。

石英玻璃纖維的特點

相比于含有大量其它雜七雜八元素的玻璃纖維,一般我們能叫做石英纖維或石英玻璃纖維的其二氧化硅含量應當在99.9%以上。它是采用高純石英/二氧化硅或天然水晶為原料制得的一種無機纖維,直徑一般為一微米~幾十微米。

石英纖維二氧化硅含量高,保持了固體石英的一些特點和性能,具有很高的耐熱性,高溫和高頻率電絕緣性,耐燒蝕,抗熱震,良好的化學穩定性,能長期在1050℃以下使用,瞬間耐高溫達1700℃,抗拉強度是普通纖維的3倍。此外它還具有著優越的介電性能,它的介電常數和介質損耗系數是所有礦物纖維中最低的,1MHz的介電常數為3.70,介質損耗系數低于為0.001,在高頻及700℃以下區域,石英纖維局具有最低和最穩定的介電常數和介電損耗,同時強度可以保留70%以上。

石英纖維的特點 

綜上,石英纖維的特點:耐熱性好!力學性能優秀!高溫和寬頻條件下透波能力優秀!是雷達罩、電磁發射窗口和低介電產品的優選材料。

熱點應用1:耐高溫透波材料

耐高溫透波材料是指對波長在1~1000mm,頻率在0.3~300GHz的電磁波的單向透過率大于70%的材料,它是兼有耐高溫性能與透波性能的介質材料,主要用于制造飛行器的天線罩和天線窗,用于保護雷達天線或整個微波系統在惡劣環境下能夠正常工作。

雷達天線罩選材的依據是高強度、高模量、耐候性好、介電性能好等,其中的介電性能具體包括介電常數(ε)和損耗角正切(tanδ),tanδ越大,電磁波能量在穿透天線罩過程中轉化為熱量而損耗的能量就越多;ε越大,電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大,從而導致鏡像波瓣電平增加和傳輸效率降低。因此,要求雷達天線罩罩體材料的ε盡可能低,tanδ低至接近于0,以達到最大傳輸和最小反射的目的。此外,如果是在高溫下使用,還要保證材料的介電常數和損耗角正切值不隨著溫度、頻率有明顯的變化,以保證氣動加熱條件下,盡可能不失真的透過電磁波。

石英玻璃纖維工作頻率與介電常數 

石英玻璃纖維工作頻率與介電常數

石英纖維耐溫能力優秀,介電性能相對于普通玻纖的介電性更加優越,石英纖維的損耗角正切(tanδ)和介電常數(ε)在玻璃纖維體系中最低,石英玻璃纖維織物增強的二氧化硅基復合材料因含有一定的孔隙率,具有較低的介電常數較高的透過率且在較寬頻帶范圍內基本不變化,同時與酚醛樹脂、環氧樹脂等樹脂基體都有很好的兼容性,因很適合作為高溫高頻透波天線罩材料的增強體。

熱點應用2:高頻高速低介電低損耗基板材料

電子信息產品特別是微波器件的高速發展,集成度的提高和數字化、高頻化、多功能化的發展對高頻基板材料提出了更高的要求,此外,隨著5G的商業化進程逐步推進,高頻高速基板的需求日益明顯。

實現PCB的高頻高速化,通常通過如下幾個方面進行:對樹脂和玻纖及整體結構的改進,或通過布線或其他方式改進基板的特性。從材料角度考慮,低介電常數及低介質損耗因數的材料最合適。

5G射頻低損耗基材 

5G射頻低損耗基材(來源:生益科技)

PCB傳輸速度影響因素。在高頻電路中,信號傳輸速度與基板介電常數呈現反相關(此處公式略去),基板介電常數越低,信號傳播得越快,因此想要得到高的信號傳輸速率,就必須研究開發低介電常數的基板材料。

PCB板的信號傳輸損失。導體電路上的傳輸損失中的介質損失主要是受到基板材料絕緣層的介電常數(ε)、介質損失因數(tanδ)所支配。傳輸損失的影響與介電常數(ε)、介質損失因數(tanδ)的大小成正比,并與介質工作時的頻率大小相關。在同一介電常數(ε)或介質損失因數(tanδ),頻率越高,其傳輸損失就越大,基板(tanδ)越小,信號傳播的衰減越小。因此在高頻電路基板材料的選擇或者研究開發時,要求其具有較低的介電常數(ε)或介質損失因數(tanδ)。

PCB板材結構 

玻纖增強材料是高頻基板復合材料中力學強度的主要承擔者,一般來說其介電常數高于樹脂基體,又在復合材料中占有較高的體積含量,因此它是決定復合材料介電性能的主要因素。世界各國生產的硅酸鹽成分的玻纖織物組成大體相同,其基礎成分都是SiO2\AI2O3\CaO三元系統,重量百分比在小范圍內波動。常溫下構成玻璃網絡的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯系離子,幾乎不導電。但是網絡中充填了陽離子,特別是堿金屬離子時,點陣結構在堿金屬離子處中斷,形成弱聯系離子,產生熱離子極化,這是影響玻璃介電性能的主要因素

目前通常采用的是無堿玻纖(E玻纖),其介電常數為7.2(1MHz),不能滿足高頻高速電路的要求。石英玻璃纖維布的介電常數及消耗因數低,且線膨脹系數低于1ppm/℃,傳輸損耗(電信號的劣化程度)的特性極為優異,適用于5G超高速布線基板材料,但它的加工成本較高,單獨使用不合適,或許通過對不同品質的玻纖進行合理選配,或許能在保證低介電性能的同時,很好的解決工業化生產成本的問題。此外,及細且強度好的石英纖維有利于制備更加輕薄的基板產品。

粉體圈 作者Alpha

 

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