Advanced 0–3 ceramic polymer composites for high frequency applications

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>The main object of this thesis was to research injection mouldable 0–3 type ceramic polymer composites and their dielectric and magnetic properties in the GHz frequency region.</p><p>The work has been divided into three sections. In the first section, two–phase ceramic polymer composites containing dielectric and magnetic fillers have been investigated and their characteristics analysed by reference to pre–existing mixing rules. The exploitation of these composites in miniaturizing devices, such as antennae, is presented and discussed. The second part describes three phase composites containing different nanosize additives (silver, silicon and alumina fibres) towards improving their dielectric properties. In the third part, some periodical and multilayer structures for ceramic polymer composite layers are proposed.</p><p>In the case of two–phase ceramic polymer composites, with 37 vol.% of dielectric filler (Barium Strontium Titanate, BST) embedded into a thermoplastic polymer (ER140) matrix, the highest measured relative permittivity was 15 with a dielectric loss value of 0.008 at 1 GHz. With 43 vol.% of magnetic filler (hexaferrite, CO₂Z) in ER182 matrix, the highest achieved relative permeability was 1.8 with a magnetic loss value of 0.077 at 1 GHz. Composites with Co₂Z filler provide a 77% size reduction, and could thus be used advantageously in antennae.</p><p>It was found that a 2–6 vol.% nanoaddition in BST–ER140 composites enhanced the relative permittivity drastically with only a minor effect on the dielectric losses. In particular, with only 2 vol.% addition of nanosize silver particles into the BST–ER140 composite, a 52% increase in the relative permittivity was obtained, with no significant change in the dielectric losses (tan δ_ε = 0.004).</p><p>Vertically and horizontally periodical dielectric composite structures comprising layers of different dielectric properties have been fabricated as well as multilayered structures containing dielectric and magnetic layers. The measurement results indicate that such multimaterial multilayer structures are good candidates for components with reduced dielectric and magnetic losses.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Väitöstyön tavoitteena oli tutkia ruiskuvalettavien 0–3–liitännäisten keraami-polymeerikomposiittien ominaisuuksia erityisesti niiden GHz-taajuusalueen dielektristen ja magneettisten ominaisuuksien kannalta.</p><p>Työ on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa on tutkittu kaksikomponenttisia keraami-polymeerikomposiitteja, joissa täytemateriaali on joko dielektristä tai magneettista materiaalia. Komposiittien ominaisuuksia on analysoitu jo olemassa olevien seosmallinnuskaavojen avulla. Komposiittien hyödyntämistä erilaisten sovellusten, kuten antennien, minityrisoinnissa on myös käsitelty. Toinen osa käsittelee kolmikomponenttisia komposiitteja, joissa lisäaineena on käytetty pieniä määriä nanomateriaaleja (hopea- ja piipartikkelit sekä alumiinioksidikuitu) tarkoituksena parantaa komposiitin dielektrisiä. Kolmannessa osassa on tutkittu periodisia ja monikerroksisia keraami- polymeerikomposiittirakenteita rakenteita.</p><p>Kaksikomponenttisten keraami-polymeerikomposiittien tapauksessa suurin permittiivisyyden arvo 15 dielektristen häviöiden ollessa 0.008 (mittaustaajuus 1 GHz) saatiin komposiitille, jossa dielektristä täytemateriaalia (Barium Strontium Titanaatti, BST) oli 37 tilavuus-% termoplastisessa polymeerimatriisissa (ER140). Korkein saavutettu permeabiliteetin arvo 1.8 magneettisten häviöiden ollessa 0.077 (mittaustaajuus 1 GHz) saatiin komposiitille, jossa magneettista täyteainetta (hexaferriitti, Co₂Z) oli 43 tilavuus-% ER182 -matriisissa. Tämä täyteaine mahdollistaa nykyistä jopa 77 % pienempien antennielementtien kehittämisen.</p><p>Tukimuksessa todettiin 2–6 tilavuus-% nanomateriaalin lisäyksen BST-ER140 -komposiitteihin kasvattavan permittiivisyyttä merkittävästi juurikaan vaikuttamatta dielektrisiin häviöihin. Erityisesti 2 tilavuus-% hopeananopartikkeleiden lisäys BST-ER140 -komposiitteihin kasvatti permittiivisyyttä 52 % dielektristen häviöiden (tan δ_ε = 0.004) kasvamatta.</p><p>Työssä on myös tutkittu periodisesti (vertikaali ja horisontaali) koostettuja dielektrisiä komposiittirakenteita, jossa eri kerroksissa on erilaiset dielektriset ominaisuudet sekä monikerrosrakenteita, joissa vuorottelevat dielektriset ja magneettiset kerrokset. Mittaukset osoittivat, että monimateriaaliset monikerrosrakenteet ovat hyviä kandidaatteja komponentteihin, jotka vaativat pieniä dielektrisiä ja magneettisiä häviöitä.</p></div>