用于高频通信设计的微晶TLCP/SiO?复合材料

《Materials & Design》：Microcellular TLCP/SiO 2 for high-frequency communication design

高链支化聚液晶聚合物泡沫的协同改性及性能优化。本文通过ADR和纳米SiO2协同改性聚液晶聚合物（TLCP），利用超临界CO2发泡技术制备了具有均匀微孔结构和优异性能的TLCP/SiO2泡沫。研究结果表明，改性后的泡沫在介电常数（1.4765）、热膨胀系数（24.3 ppm/℃）、压缩强度（1.33 MPa）和阻燃性能方面均优于现有材料，同时红外隐身性能优异，适用于高频通信和极端环境应用。

　　随着新兴技术如远程医疗、物联网（IoT）、无人驾驶技术和增强现实（AR）的快速发展，无线通信技术正迎来前所未有的增长机遇。这些技术对信号传输提出了更高的要求，包括更高的频率和更快的传输速度。然而，随着通信频率的提升，信号在传输过程中可能会遇到诸如延迟、能耗增加以及串扰等问题。因此，研发具有优异性能的低介电常数（Dk）基材材料成为通信技术发展的关键任务。这类材料需要具备低水分吸收、高温稳定性、优异的机械性能以及良好的尺寸稳定性等特性，以确保在高频环境下仍能保持稳定。目前，虽然已有多种方法被用于降低聚合物材料的介电常数，如通过引入多孔结构以实现介电性能的优化，但这些方法往往伴随着材料性能的下降，如机械强度和尺寸稳定性不足，限制了其在通信领域的广泛应用。

在现有研究中，热致液晶聚合物（TLCP）因其独特的物理性能，被认为是一种极具潜力的低介电基材材料。TLCP分子链中富含刚性的苯环结构，使其在特定条件下表现出各向异性特征。这种材料不仅具有较低的吸湿性，还展现出卓越的化学耐腐蚀性、耐候性、耐热性和阻燃性能，同时具备出色的低介电特性。这些优异的性能使得TLCP在高频和高速通信领域具备广泛的应用前景。此外，TLCP泡沫材料也被认为是毫米波设备的理想基材。然而，目前的研究中，TLCP泡沫的细胞结构往往存在不均匀的问题，这在一定程度上限制了其性能的进一步提升。

为了解决上述问题，研究人员尝试通过引入长链支化结构来优化TLCP的泡沫性能。长链支化结构的引入可以有效改善TLCP的机械性能和热稳定性，从而提升其在泡沫过程中的性能表现。此外，纳米二氧化硅（SiO?）作为一种低介电填料，也被用于改善泡沫的细胞结构。通过将纳米SiO?引入长链支化的TLCP中，不仅能够优化细胞的均匀性，还能进一步提升泡沫的尺寸稳定性和热性能。在本研究中，通过超临界CO?发泡技术制备了一系列长链支化TLCP/SiO?泡沫材料，其在泡沫过程中表现出良好的细胞形态和可控的体积膨胀率，为高性能泡沫材料的开发提供了新的思路。

实验表明，TLCP在290?°C至330?°C的范围内能够实现有效的发泡，这与DSC和POM的分析结果一致。该温度区间内，TLCP处于液晶相，具有一定的流动性，有利于细胞的形成和生长。同时，液晶结构的存在能够为细胞提供支撑，防止其在发泡过程中发生塌陷或破裂。通过引入长链支化结构和纳米SiO?，研究人员成功优化了泡沫的细胞形态，使其更加均匀和规则，同时降低了泡沫的介电常数和介电损耗。此外，纳米SiO?的加入还能改善泡沫的热传导性能，使其在高温条件下表现出优异的红外热隐身特性，这对于军事设备、航空航天以及极端环境下的应用具有重要意义。

在机械性能方面，长链支化TLCP/SiO?泡沫表现出良好的压缩强度和尺寸稳定性。通过与现有文献中的材料进行对比，研究发现该泡沫材料的压缩强度显著优于其他高密度泡沫材料，同时其热膨胀系数（CTE）也远低于同类材料，接近铜箔的CTE值。这种低CTE特性对于确保高频通信设备在温度变化下的稳定性至关重要。此外，泡沫材料的高尺寸稳定性也使其在实际生产和应用中表现出更强的适应性和可靠性。

在信号传输性能方面，长链支化TLCP/SiO?泡沫展现出卓越的低介电特性。在10?GHz的高频环境下，其介电常数（Dk）和介电损耗（Df）均优于传统材料。通过使用计算机仿真技术（CST）模拟不同基材材料的天线性能，研究发现该泡沫材料的天线增益显著提高，信号传输距离也大幅增加。这些性能的提升为未来毫米波通信设备的开发提供了强有力的支持，尤其是在无人机、物联网和无线通信设备等领域具有重要的应用价值。

此外，该泡沫材料在高温下的热稳定性也表现优异。通过红外成像设备的测试，发现其在260?°C的高温环境下仍能保持良好的热隐身性能，泡沫表面温度与加热板温度之间存在显著的温差。这种特性使得TLCP/SiO?泡沫在高温环境中能够有效屏蔽红外信号，从而增强设备的隐蔽性。同时，泡沫的低密度特性也有助于降低其热传导能力，进一步提升红外隐身效果。

在阻燃性能方面，TLCP泡沫材料表现出良好的自熄特性。在空气中，该材料不易被点燃，并且在火源移除后能够迅速熄灭，不会出现熔滴或冒烟现象。这种特性使其在需要高安全性的通信设备中具有显著优势。虽然泡沫的引入可能会增加材料的可燃性，但TLCP分子链中的大量芳香环结构能够有效抑制火焰的传播，确保其在高温条件下的阻燃性能。

综上所述，通过长链支化结构和纳米SiO?的协同改性，TLCP/SiO?泡沫材料在多个关键性能方面均表现出优异的综合性能。这不仅满足了高频和高速通信技术对低介电基材材料的需求，还为该材料在军事、航空航天、微电子等领域提供了广阔的应用前景。本研究通过系统的实验和模拟分析，揭示了TLCP泡沫材料在发泡过程中的结构变化及其对性能的影响机制，为未来高性能泡沫材料的开发提供了重要的理论依据和技术支持。