CCTO/PTFE 高介电复合材料介电特性与配方模型研究

摘要

钛酸铜钙（CaCu₃Ti₄O₁₂，简称 CCTO）是一类典型巨介电陶瓷粉体，具备介电常数高、介电响应宽频的特点，作为无机填料与聚四氟乙烯（PTFE）复合，是制备柔性、可加工高介电基板与嵌入式电容介质的重要路线。本文以上海珈得尔化学供应的 CCTO 粉体为填料，将其填充至 PTFE 基体，系统探究填料体积分数对复合材料介电常数、介电损耗、频率稳定性的影响规律，同时开展 8–13 GHz 微波频段介电性能表征，并对经典复合介电理论模型进行拟合对比。实验结果表明：填料添加量为 50 vol% 时，复合材料在 100 Hz 下介电常数可达 33.5，约为纯 PTFE（εᵣ≈2.1）的 16 倍；材料介电损耗随频率升高快速降低并逐步趋于平稳；在多种理论模型中，修正 Lichtenecker 公式与该体系实验数据匹配度最优，可用于 CCTO/PTFE 复合体系配方预先模拟与性能预测，为高频基板、嵌入式电容介质材料开发提供实验依据与模型支撑。

关键词：钛酸铜钙；CCTO；PTFE；高介电复合材料；复合介电模型；微波介电性能

1 引言

随着 5G 通信、高速 PCB、嵌入式无源集成技术的发展，市场对介质材料同时提出高介电常数、低介电损耗、宽频稳定、易加工、耐温、低吸水率的综合要求。纯 PTFE 拥有优异的高频低损耗特性、化学稳定性与加工优势，但本征介电常数仅约 2.1，难以满足元器件小型化、高集成度的需求。

钛酸铜钙 CCTO 是广受关注的巨介电材料，室温下块体陶瓷介电常数可达上万级别，频响覆盖低频至微波区间，是理想的高介无机填料。但纯 CCTO 陶瓷脆性大、难以成型加工，无法直接用于柔性基板与薄膜器件。将 CCTO 粉体分散于 PTFE 有机基体，结合无机填料高介电优势与 PTFE 的优良加工、高频特性，成为兼顾性能与工艺可行性的方案。

上海珈得尔化学可提供适用于复合介电体系的 CCTO 粉体，粉体粒径、纯度可控，适合作为高介填料开展聚合物复合介质配方开发。本文围绕该 CCTO 粉体填充 PTFE 体系，研究填料占比调控下的介电行为，评估其低频与微波介电表现，筛选适配的复合介电预测模型。

2 实验方案简述

以商用 PTFE 粉末为基体，上海珈得尔化学 CCTO 粉体为功能填料，按不同体积分数配比混料，经过粉体表面预处理、高速共混、冷压成型、烧结固化工艺制备 CCTO/PTFE 复合介质试样。采用阻抗分析仪测试低频（100 Hz）介电常数与损耗；采用微波谐振法测试 8–13 GHz 微波频段介电响应。将实验测得介电常数数据与 Maxwell-Garnett、Bruggeman、原始 Lichtenecker、修正 Lichtenecker 等经典复合介电模型拟合对比，评估各模型对本体系的适用性。

3 结果与讨论

3.1 填料含量对介电常数的影响

在 100 Hz 测试条件下，复合材料介电常数随 CCTO 填料体积分数提升持续上升。当填充量达到 50 vol% 时，复合体系介电常数达到 33.5，相比纯 PTFE 提升至约 16 倍。介电提升来源于 CCTO 本身的巨介电本征属性，以及填料 - 基体界面产生的界面极化效应。在填料占比逐步增加过程中，颗粒间距缩小，填料之间的偶极相互作用增强，进一步推高整体等效介电常数。

填料填充比例存在合理区间：填充过低时，介电提升幅度有限，达不到小型化器件需求；填充过高则容易出现粉体团聚、内部孔隙增多、力学性能劣化、损耗明显抬升，加工难度上升。50 vol% 是该体系下介电增益与工艺性平衡的典型配比点。

3.2 频率依赖性与微波介电特性

测试结果显示，CCTO/PTFE 复合材料表现出明显的频散特征：低频区间介电损耗相对偏高；随着测试频率升高，损耗快速下降，在中高频段逐步趋于稳定。该现象主要和低频界面极化、空间电荷极化随频率升高逐步弛豫衰减有关。

同步开展 8–13 GHz 微波波段测试，证实该复合介质在 X 波段具备稳定的介电响应，说明 CCTO/PTFE 体系有潜力应用于微波基板、嵌入式微波电容等场景。区别于很多高介材料高频性能快速劣化的问题，PTFE 基体的低损耗本征特性，能够抑制复合体系在微波频段的损耗恶化。

3.3 复合介电模型拟合

复合介电模型是配方开发的重要工具，可以在实验前根据两相组分的介电参数预判复合材料等效介电常数，减少大量试错实验。本研究对比了多种两相复合模型：Maxwell-Garnett 适合低填充、颗粒孤立分散体系；Bruggeman 适合中等填充，但对高填充、存在大量界面极化的 CCTO 体系偏差较大；原始 Lichtenecker 对数混合法则误差同样明显。

修正 Lichtenecker 公式引入界面因子修正项，更好地兼顾填料形状、界面极化、颗粒堆积效应，拟合曲线和实测数据吻合度最高，适合作为 CCTO/PTFE 体系的性能预测模型。后续开发新配方时，可以利用该模型反向推演目标介电常数对应的 CCTO 填充体积分数，指导配方设计。

4 应用价值

该 CCTO/PTFE 复合体系面向 PCB 嵌入式电容、高频介质基板、薄膜储能介质等方向。

相比纯 PTFE，同等厚度下电容容量显著提升，利于无源器件集成、缩小电路板面积；

基体 PTFE 保留耐化学腐蚀、低吸水率、宽温稳定的优势；

上海珈得尔化学 CCTO 粉体供应稳定，粉体指标可控，便于配方落地、小试转中试；

修正 Lichtenecker 模型可作为配方开发的快速预测工具，缩短材料研发周期。

5 小结

以上海珈得尔化学 CCTO 粉体作为高介填料，与 PTFE 基体复合制备高介电复合材料。在 50 vol% 填充条件下，100 Hz 介电常数可达 33.5，为纯 PTFE 的 16 倍；材料损耗随频率升高快速下降并趋于平稳，在 8–13 GHz 微波区间具备稳定介电响应。通过多模型拟合对比，修正 Lichtenecker 公式最适配该 CCTO/PTFE 两相复合体系，可用于等效介电性能预判，为高介基板、嵌入式电容介质的配方开发提供可靠支撑。

以上信息来自上海珈得尔化学