本發(fā)明涉及纖維材料領(lǐng)域，具體涉及一種低介電常數(shù)的玻纖及制備方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代高頻通信、航空航天和微電子封裝等領(lǐng)域，材料的介電性能對(duì)于信號(hào)傳輸效率、電子元件穩(wěn)定性以及整體系統(tǒng)性能具有決定性影響。隨著5g通信、毫米波雷達(dá)和高速計(jì)算設(shè)備的發(fā)展，對(duì)低介電常數(shù)(dk)材料的需求日益增長，以降低信號(hào)損耗、提高數(shù)據(jù)傳輸速率和減少電磁干擾。同時(shí)，為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，這些材料還需具備優(yōu)異的耐候性和疏水性能，以防止?jié)穸茸兓瘜?duì)介電特性的影響，確保長期使用的穩(wěn)定性。此外，在復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)件應(yīng)用中，玻璃纖維作為基體增強(qiáng)材料，其力學(xué)性能直接影響最終產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、耐沖擊性和使用壽命。因此，研發(fā)兼具低介電常數(shù)、高疏水性和優(yōu)異力學(xué)性能的玻璃纖維材料，不僅能夠提升電子封裝和通信設(shè)備的性能，還能拓寬其應(yīng)用范圍，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)向更高效、更可靠的方向發(fā)展。

2、目前，低介電玻璃纖維的研究已取得一定進(jìn)展，但仍存在諸多局限。如公開號(hào)為cn101594987b的中國專利公開了一種低介電玻璃纖維，雖然通過成分優(yōu)化獲得了低介電性能，但不具備疏水性能。此外，部分現(xiàn)有技術(shù)采用硅烷偶聯(lián)劑以提高疏水性，但由于界面結(jié)合力較弱，長期使用過程中容易發(fā)生剝離，導(dǎo)致耐久性下降，如公開號(hào)為cn108503314a的中國專利公開了一種添加疏水改性玻璃纖維的免燒路面磚，其中玻璃纖維就采用的硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行改性，因此在長期服役過程中硅烷偶聯(lián)劑容易失效，且重要的是疏水改性對(duì)地介電常數(shù)沒有改善。同時(shí)，力學(xué)性能的提升往往受到玻璃纖維本身脆性的限制，現(xiàn)有方法多依賴于樹脂改性或填充增強(qiáng)，但這可能引入額外的介電損耗，削弱材料的低介電優(yōu)勢(shì)。因此，如何在保持低介電特性的同時(shí)，提升玻璃纖維的疏水性和力學(xué)性能，并優(yōu)化制備工藝以降低成本和提高穩(wěn)定性，仍是該領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(1)解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明的目的是提供一種低介電常數(shù)的玻纖及其制備工藝，解決目前玻纖在低介電常數(shù)、疏水和力學(xué)性能不足的問題。

3、(2)技術(shù)方案

4、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

5、一種低介電常數(shù)的玻纖，所述的玻纖包括玄武巖玻璃纖維和包覆于所述玄武巖玻璃纖維表面的氟氧化硅層；

6、所述的玄武巖玻璃纖維的平均尺寸為5.0～15.0μm；

7、所述的玄武巖玻璃纖維中晶態(tài)和非晶態(tài)的體積比為(5.0～15.0):(85.0～95.0)；

8、所述的氟氧化硅層的厚度為140～400nm；

9、所述的玄武巖玻璃纖維由玄武巖原料通過熔融拉絲法制備獲得；

10、所述的氟氧化硅層通過含正硅酸乙酯和氟化銨的混合溶膠對(duì)玄武巖玻璃纖維進(jìn)行浸漬、超聲處理、吹掃后，在惰性氣氛下熱處理形成。

11、本發(fā)明采用玄武巖玻璃纖維與氟氧化硅層復(fù)合的設(shè)計(jì)主要用于增強(qiáng)材料的低介電性能、耐候性和力學(xué)性能。通過優(yōu)化玄武巖玻璃纖維的制備工藝，控制其平均尺寸及晶態(tài)與非晶態(tài)的體積比，使其在保證低介電損耗的同時(shí)具備優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。玄武巖玻璃纖維的熔融拉絲工藝確保了纖維的均勻性和可控性，從而改善了整體材料的介電均勻性，并優(yōu)化了界面結(jié)合特性。為了進(jìn)一步降低介電常數(shù)并提升疏水性，本發(fā)明采用氟氧化硅層包覆，通過正硅酸乙酯和氟化銨的混合溶膠對(duì)玄武巖玻璃纖維表面進(jìn)行改性，經(jīng)浸漬、超聲處理和吹掃后，在惰性氣氛中熱處理形成均勻的氟氧化硅層。該包覆層不僅有效減少了纖維表面的極性基團(tuán)，從而降低材料的介電損耗，同時(shí)提高了材料的耐濕性，使其在高濕環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的介電性能。此外，氟氧化硅層的厚度控制在合理范圍內(nèi)，既保證了優(yōu)異的疏水性能，又避免了過厚涂層可能導(dǎo)致的機(jī)械性能下降。纖維基體與表面涂層的協(xié)同作用，使得本發(fā)明的玻璃纖維材料在保持低介電特性的同時(shí)，具備優(yōu)異的耐環(huán)境性和力學(xué)穩(wěn)定性，滿足高頻電子封裝、通信設(shè)備及航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿徒殡姴牧系男枨蟆?/p>

12、進(jìn)一步，所述的玄武巖玻璃纖維的制備方法包括以下步驟：

13、a1：將玄武巖原料經(jīng)機(jī)械破碎后篩分為粒徑5～20mm的顆粒，浸入濃度為0.5～2.0mol/l的鹽酸溶液中處理1～4h以去除金屬雜質(zhì)及游離氧化物，隨后用去離子水沖洗至ph?6.5～7.5，并將洗凈顆粒置于80～120℃真空干燥箱中干燥120～160min至含水率≤0.5wt％；

14、a2：將干燥后的玄武巖顆粒裝入鉬鑭合金坩堝中，在氮?dú)鈿夥障驴刂蒲鹾俊?0ppm，以5～15℃/min的升溫速率加熱至1550～1700℃，保溫60～120min形成均勻玻璃熔體，并通過粘度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控熔體動(dòng)態(tài)粘度為10～50pa·s；

15、a3：將熔融玻璃液通過孔徑0.8～1.5mm的鉑合金漏板下拉，控制漏板溫度為1250～1400℃、拉絲速度300～800m/min、牽引輥表面溫度20～50℃，并通過激光測(cè)徑儀實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)纖維直徑為5～15μm且偏差≤±0.5μm。

16、a4：對(duì)纖維依次進(jìn)行惰性氣體冷卻與水霧噴淋冷卻，實(shí)現(xiàn)梯度固化，其中一級(jí)冷卻階段：使纖維通過2～5m氬氣通道，控制氬氣流速3～10m/s及冷卻速率50～200℃/s，使纖維表面溫度降至600～800℃；二級(jí)冷卻階段：通過霧化壓力0.1～0.5mpa的去離子水霧，控制液滴粒徑≤10μm及噴淋密度0.5～2.0l/min·m2，將纖維溫度降至25～40℃完成固化。

17、進(jìn)一步，所述a1中玄武巖原料的組份為：al2o38.0～9.0wt％、tio21.5～1.8wt％、feo?8.0～10.0wt％、cao?7.0～8.0wt％、mgo?15.0～16.0wt％、na2o?2.8～3.2wt％、k2o0.6～0.8wt％、b2o33.0～6.0wt％，余量為sio2。

18、本發(fā)明采用玄武巖玻璃纖維的設(shè)計(jì)主要用于增強(qiáng)材料的低介電性能、力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性。通過優(yōu)化玄武巖玻璃纖維的成分及制備工藝，實(shí)現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)合理匹配，以提升介電特性和力學(xué)強(qiáng)度。在原料處理階段，通過機(jī)械破碎和酸洗去除金屬雜質(zhì)及游離氧化物，有效降低介電損耗并增強(qiáng)纖維的均勻性。熔融過程中，利用鉬鑭合金坩堝在氮?dú)鈿夥障驴刂蒲鹾浚_保玻璃熔體的穩(wěn)定性，并通過粘度監(jiān)控優(yōu)化熔融狀態(tài)，以形成均勻的玻璃相結(jié)構(gòu)。在拉絲過程中，采用鉑合金漏板精確控制熔體流動(dòng)性，并結(jié)合激光測(cè)徑儀實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)纖維直徑，使其保持在5.0～15.0μm范圍內(nèi)，以確保優(yōu)異的機(jī)械性能和尺寸均勻性。在冷卻固化階段，通過氬氣通道的惰性氣體冷卻結(jié)合去離子水霧噴淋，實(shí)現(xiàn)梯度冷卻，有助于優(yōu)化晶態(tài)和非晶態(tài)比例，使纖維在保持低介電特性的同時(shí)具備良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，合理的成分設(shè)計(jì)，如al2o3、tio2、feo、cao、mgo、na2o、k2o及b2o3的協(xié)同作用，不僅優(yōu)化了纖維的介電性能，還提高了抗熱震性和耐化學(xué)腐蝕性，從而進(jìn)一步增強(qiáng)材料的環(huán)境適應(yīng)性。本發(fā)明通過系統(tǒng)性的工藝優(yōu)化，使玄武巖玻璃纖維在低介電損耗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及力學(xué)性能方面均達(dá)到優(yōu)異水平，滿足高頻通信、航空航天及電子封裝等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

19、本發(fā)明還公開一種低介電常數(shù)的玻纖的制備方法，包括以下步驟：

20、s1.配制含正硅酸乙酯、氟化銨、乙醇及去離子水的混合溶膠；

21、s2.將玄武巖玻璃纖維浸漬于溶膠中并進(jìn)行超聲處理；

22、s3.吹掃去除纖維表面殘留溶膠；

23、s4.對(duì)纖維進(jìn)行惰性氣氛熱處理和鈍化處理。

24、進(jìn)一步，所述混合溶膠的組成為：以重量份數(shù)計(jì)，正硅酸乙酯14～36份、氟化銨7.0～12.0份、乙醇50～100份、去離子水5～15份；溶膠配制條件包括：在25～40℃下以300～600rpm攪拌20～60min，隨后在20～25℃靜置陳化60～120min；

25、進(jìn)一步，所述的正硅酸乙酯和氟化銨的質(zhì)量比為(2.0～3.0):1；

26、進(jìn)一步，所述的浸漬條件包括：控制浸漬深度10～50cm、攪拌速率200～500rpm、超聲頻率20～40khz及壓力0.1～0.5mpa，處理時(shí)間30～120min；

27、進(jìn)一步，所述的吹掃參數(shù)包括：氮?dú)鈮毫?.5～2.0mpa、入射角30～60°、流速5～15l/min及吹掃時(shí)間10～30s，處理后的殘留溶膠層厚度為1～5μm。

28、進(jìn)一步，所述的熱處理?xiàng)l件包括：在氬氣氣氛下，以5～10℃/min升溫至500～600℃，保溫30～60min后以2～5℃/min冷卻至室溫，氣體流量控制為0.5～2.0l/min。

29、進(jìn)一步，所述的鈍化處理的過程為：將熱處理完成后的纖維放入等離子處理腔體內(nèi)，在真空度10～100pa的條件下，通入cf4作為反應(yīng)氣體，氣體流量控制在50～200sccm，隨后施加50～200w的等離子體功率，持續(xù)處理30～300s，完成等離子體處理后，立即將材料轉(zhuǎn)移至真空退火爐中，在氬氣流量0.5～2.0l/min的條件下，以5～10℃/min速率升溫至300～400℃，保溫30～60min，處理完冷卻到室溫即可。

30、本發(fā)明采用溶膠-凝膠法結(jié)合熱處理與鈍化工藝的設(shè)計(jì)主要用于增強(qiáng)玻璃纖維的低介電性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性。通過配制含正硅酸乙酯、氟化銨、乙醇及去離子水的混合溶膠，并控制正硅酸乙酯與氟化銨的比例，使溶膠在適宜的溫度和攪拌速率下形成均勻穩(wěn)定的體系，從而為玄武巖玻璃纖維的改性提供了良好的界面結(jié)合環(huán)境。在浸漬過程中，通過優(yōu)化浸漬深度、攪拌速率、超聲頻率及壓力，使溶膠均勻覆蓋玻璃纖維表面，并借助超聲處理增強(qiáng)溶膠的滲透性，確保改性層的均勻性和致密性。隨后，采用氮?dú)獯祾呷コ砻鏆埩羧苣z，并精確控制吹掃參數(shù)，以有效減少溶膠堆積，保證涂層厚度適中，從而避免因涂層不均勻而導(dǎo)致的介電性能下降。在熱處理階段，利用氬氣氣氛控制升溫和冷卻速率，使涂層在玻璃纖維表面穩(wěn)定固化，同時(shí)減少氧化作用對(duì)纖維性能的不利影響，同時(shí)熱處理階段完成對(duì)纖維的退火，進(jìn)一步優(yōu)化其介電特性和力學(xué)穩(wěn)定性。最終，通過等離子鈍化處理，通入cf4作為反應(yīng)氣體，在適宜的真空條件和等離子體功率作用下，使涂層表面發(fā)生氟化反應(yīng)，增強(qiáng)玻璃纖維的疏水性和化學(xué)穩(wěn)定性，并在后續(xù)的氬氣退火過程中進(jìn)一步消除表面缺陷，提高整體涂層與纖維基體的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明通過各制備步驟的協(xié)同作用，使玻璃纖維在低介電損耗、耐濕性和力學(xué)性能方面均得到有效優(yōu)化，滿足高頻電子封裝、通信設(shè)備及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

31、(3)有益的技術(shù)效果

32、1.本發(fā)明通過玄武巖玻璃纖維與氟氧化硅層的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)低介電損耗、高疏水性和優(yōu)異力學(xué)性能，相較于現(xiàn)有技術(shù)，提高材料均勻性和穩(wěn)定性，降低環(huán)境影響，適用于高頻電子封裝、通信設(shè)備及航空航天領(lǐng)域。

33、2.本發(fā)明通過優(yōu)化玄武巖玻璃纖維的成分和制備工藝，實(shí)現(xiàn)低介電損耗、高力學(xué)強(qiáng)度和優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性，相較于現(xiàn)有技術(shù)，提高材料均勻性和耐久性，降低信號(hào)損耗，適用于高頻通信、航空航天及電子封裝領(lǐng)域。

34、3.本發(fā)明通過溶膠-凝膠法結(jié)合熱處理與鈍化工藝，實(shí)現(xiàn)玻璃纖維的低介電、耐候和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)化，相較于現(xiàn)有技術(shù)，提升界面結(jié)合力、均勻性和耐濕性，避免涂層剝離和介電損耗，適用于高頻電子、通信及航空航天領(lǐng)域。