热氧化条件下液晶聚合物薄膜老化行为与寿命预测研究及其在5G通信中的应用

为解决5G通信中液晶聚合物(LCP)材料因热氧化老化导致的性能退化问题，研究人员通过吹膜技术制备LCP薄膜，系统研究了其在热氧化条件下的老化机制与寿命预测。研究发现LCP薄膜在100°C、120°C和150°C下的使用寿命分别可达36年、11年和2年（以介电损耗因子Df为失效标准），并揭示了主链松弛、热分解及Fries重排等多重老化路径。该研究为5G柔性印刷电路(FPC)材料的可靠性评估提供了重要依据。

　　

随着5G通信技术对高频低损耗材料的迫切需求，液晶聚合物(LCP)因其优异的介电性能（介电常数Dk<2.9，损耗因子Df<0.002）成为柔性印刷电路(FPC)的理想选择。然而，长期高温氧化环境会导致LCP发生不可逆老化，引发材料脆化、介电性能劣化等问题。现有研究多聚焦于集成电路设计，却忽视材料老化这一"隐形杀手"——例如150°C下LCP/GF复合材料仅18年即出现力学性能断崖式下跌。更棘手的是，传统红外光谱对聚合物主链化学变化的检测灵敏度不足，难以捕捉老化初期关键信号。

为破解这一难题，广东某研究团队通过吹膜技术制备LCP薄膜，采用多尺度研究方法揭示其老化机制。关键技术包括：1) 基于Arrhenius模型通过Df值退化预测寿命；2) 利用荧光探针DPBA特异性标记老化产生的羟基，建立三维早期可视化(ESV)监测体系；3) 结合力学测试、热重分析等手段解析物理/化学老化协同作用。研究样本来自珠海万特克公司提供的熔点为280°C的LCP树脂。

时间温度对力学性能的影响
通过1600小时加速老化实验发现，LCP薄膜在150°C横向拉伸强度下降23.5%，证实热氧化导致分子链断裂与交联反应竞争性发生。各向异性分析显示机器方向保留85%初始强度，揭示分子取向对老化抵抗的关键作用。

介电性能演变规律
Df值随老化呈三阶段变化：初期（<500h）因主链松弛微升0.0015；中期（500-1200h） Fries重排反应致Df跃升0.004；后期（>1200h）交联网络形成使Df趋于稳定。通过Arrhenius方程推算，Df达到失效阈值0.005时对应150°C寿命为2年。

荧光标记揭示老化机制
DPBA探针与老化羟基的B-O点击反应显示，150°C下荧光强度72小时即达峰值，比红外检测灵敏度提升20倍。分子动力学模拟证实，主链β位碳氢键均裂产生的自由基是引发Fries重排的始动因素。

该研究首次构建了LCP薄膜"物化老化双通道"理论模型：物理老化表现为分子链松弛导致的自由体积收缩；化学老化则通过热分解（280°C起始）、Fries重排（生成联苯结构）及交联反应（凝胶含量达18%）三路径推进。值得注意的是，研究者发现介电性能退化与荧光信号强度呈指数相关（R²=0.98），这为5G设备原位老化监测提供了新思路。

研究结论表明，通过优化吹膜工艺可提升LCP薄膜各向同性，使其在120°C下的寿命延长至11年。项目负责人Peijiang Liu指出，该成果已被应用于新一代FPC基材开发，相关技术获国家重点研发计划（2023YFB4404200）支持。这些发现不仅为5G材料可靠性设计提供理论支撑，其建立的ESV监测体系更可推广至其他高分子材料老化研究领域。