聚四氟乙烯结构与性能及稳相同轴电缆应用研究Ⅰ

2022-07-19 11:00:34 嘉兴翼波电子有限公司 浏览次数 92

射频同轴电缆是各种无线电通信系统及电子设备中不可缺少的元件,在无线通信与广播、基站、电视、雷达、导航、计算机及仪表等方面被广泛应用。


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根据射频电缆各结构的功能属性可将电缆结构主要分为内导体、绝缘(电介质)层、绕包屏蔽外导体、编织外导体、护套层五部分。射频同轴电缆的内外导体处于同心位置,由于射频信号具有高频趋肤效应,电磁能量局限在内导体外表面、外导体内表面与内外导体之间的介质内传播。作为射频电缆的核心结构,介质层材质的选择在极大程度上影响着射频电缆的性能。介质层在射频电缆功能层中占比最大,因此必须具备宽频带、低衰减、高稳定性、良好可靠等特点。


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同轴电缆的介质层材料

同轴电缆常用的介质材料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚全氟乙丙烯(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、二氧化硅等。聚乙烯是良好的电绝缘体,但聚乙烯硬度大,机械强度较差,耐热性低且耐环境应力开裂性差,相位稳定性也较差,PE材质作为绝缘介质时对环境温度的要求较高。PTFE、PFA与FEP的最高使用温度可达到200℃,在这之中,PTFE有着最低的介电常数与损耗因子,其介电性能和电绝缘性能基本不受温度、湿度和频率变化的影响。在综合了使用温度、衰减及相位稳定性等条件后,PTFE成为稳相电缆介质层材料的绝佳选择。翼波电子以及其他国内外一流同轴电缆生产企业通常都会选择PTFE作为绝缘介质层。


PTFE分子结构

聚四氟乙烯(PTFE),俗称“塑料王”,分子结构式为,1938年被美国杜邦公司的Roy J. Plunkett博士发现,1945年杜邦公司为聚四氟乙烯申请注册Teflon商标,实现了PTFE工业化。

聚四氟乙烯是由四氟乙烯单体经聚合而成的高分子聚合物,其聚合制备方法与常规高聚物一样,包括有本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合(分散聚合)四种聚合方法,工业上一般采用悬浮聚合与分散聚合两种方法。悬浮聚合可得到粒径为35~500μm的PTFE树脂颗粒,而分散聚合则可得到粒径更小的PTFE树脂颗粒。


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图  1.      聚四氟乙烯主链碳原子的SP3杂化示意图


氟原子有着所有元素中最高的电负性,电负性越大,原子半径会越小,与其它原子所形成的键能也就越大,因此C-F键键能非常大,不易发生酯化反应,保障了PTFE具有高度的热稳定性、化学稳定性及抗老化能力,能在-190℃~250℃的温度下长期工作。PTFE的分子结构中只含碳和氟两种元素,碳原子外层的价电子采取SP3杂化成键角为109°28'的正四面体,C-C键主链成锯齿型分布,F原子对称分布使得整条分子链的正负电荷中心重合,因此聚四氟乙烯整体是完全对称而且没有支链和侧基的线型非极性高分子,介电常数与损耗因子在现有绝缘材料中最小,可用在电线电缆、连接器、印刷电路板等电子器件中;分子结构中的C-F键键长较短,且晶态时聚四氟乙烯为螺旋形结构,氟原子正好可以把聚四氟乙烯主链覆盖起来,氟原子壳层保护碳原子主链不受外界分子的进攻与侵蚀,从而使 PTFE 具有较低的表面能与摩擦系数,较高的耐酸碱腐蚀性,除熔融碱金属和液氟外,几乎能耐其他一切化学药品的腐蚀。


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图  2.     聚四氟乙烯的分子链基本螺旋结构示意图

 

PTFE无支链线性分子链结构

聚四氟乙烯的分子链属于规整性与对称性极好的无支链线性结构,容易形成有序排列,分子链的结构越简单,对称性和规整性越好,结晶能力越强。聚四氟乙烯作为一种结晶聚合物,结晶度一般为55%~75%,最高可达到93%~97%。结晶度越高,分子链排列越规则,就需要用更高的温度来破坏,因此熔点也越高。结晶度越高的聚四氟乙烯颜色越白,改性过后的聚四氟乙烯结晶度较低,容易呈现出透明与半透明状。

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图  3.     聚四氟乙烯的凝聚态结构示意图


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图  4.      聚四氟乙烯的相态图


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图  5.     聚四氟乙烯分子链三维超结构示意图


PTFE特殊的物相特性

PTFE在不同的温度与压力下会有不同的凝聚态结构,目前已知PTFE晶体有四种二维结构与物相结构。如图所示,温度低于19℃时,PTFE呈现第Ⅱ相态,分子链呈螺旋状,螺距为1.69nm,螺旋角为13.8°,包括13个C原子,6个单体单元,晶体结构为三斜晶系,链段横向直径为0.27nm,晶格常数为0.559nm。当温度升高至19℃以上时,PTFE晶体发生相转变,变为第Ⅳ相态六方晶系,螺旋链开始解旋,螺距增大到1.95nm,螺旋角为12°,包含15个C原子,7个单体单元,链段横向直径为0.28nm,晶格常数为0.566nm。当温度继续升高至30℃一直到熔点327℃,PTFE晶体转变并保持为第Ⅰ相态,为赝六方晶系,螺旋链进一步解旋为无规则的螺旋状,链段横向直径增大到0.29nm,晶格常数为0.567-0.574nm。在19℃-30℃附近的结晶转变会引起聚合物产生1%左右的体积变化,并发生许多性能的突变。在环境温度75℃时,若将压力升至500MPa及以上,PTFE晶体转变为具有单斜晶系与正交晶系的第Ⅲ相态,螺旋链分子结构解旋成锯齿形直链结构,链段横向直径降为0.24nm。


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图   6.  翼波稳相电缆的温度相位变化曲线图


由聚四氟乙烯的分子结构、物相特性与相转变可知,当温度上升时,聚合物分子的热运动加剧,分子极化增大,材料介电常数与温度成正比例变化,介电性能有所提升,但同时升温带来的体积膨胀又会降低整个材料的介电常数,因此介电常数由于温度改变而呈现出的变化是综合性的。不同密度的绝缘有着不同的变化率,当聚四氟乙烯处于19℃-30℃的相转变区域时,相转变所带来的介电常数变化远远大于分子运动与体积膨胀,因此在处于第Ⅳ相态及边界时,稳相电缆的温度相位出现拐点,通常都与温度成反比例变化。

 

本章主要介绍了聚四氟乙烯(PTFE)的分子结构,分子链结构以及物相特性。通过对聚四氟乙烯自身结构与特性的解析,我们深入了解了PTFE成为稳相电缆介质层材料绝佳选择的原因。下章我们将具体介绍PTFE在稳相电缆应用中的加工工艺。

 

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