物聯網（IoT）的快速發展伴隨著電子設備，特別是小型射頻裝置功能上的集成化發展和數量上的爆發式增長。襯底是射頻模塊的物理載體，其材質和結構很大程度上決定著輻射單元的尺寸以及射頻模塊收發電磁波的特性。低介電材料是擁有較低介電常數和介電損耗的材料，廣泛用于高頻電路板、天線襯底以及天線保護罩等領域，有助于降低信號傳輸延遲和損耗。目前被用于低介電設計的主流材料包括一系列石油基高分子，如聚酰亞胺、聚苯醚、聚苯并噁唑、液晶聚合物、聚四氟乙烯等。考慮到環境效益和廢棄難度，石油基高分子可能無法滿足未來多元化的應用需求，特別是大批量的一次性中低端應用。
纖維素是世界上儲量最豐富的天然高分子，豐富的羥基結構使其可以通過氧化、酯化、醚化等技術制備一系列物化性質各異的衍生物。乙基纖維素是一種常見的非離子型纖維素醚，廣泛用于印刷工業和制藥領域。受取代基乙氧基弱極性和龐大體積的影響，高取代度的乙基纖維素介電常數和介電損耗均顯著低于纖維素(εr= 3.6, tanδ= 0.008, 10 kHz)，考慮到其優異的阻水性，高取代度的乙基纖維素擁有進行低介電結構設計的潛力。另外，多孔結構引入的大量空氣(εr≈1, tanδ≈0)可以顯著降低整體介電極化響應并實現更低的介電性能。
干相轉化(Dry phase inversion)技術是常見的多孔結構設計方法，借助溶劑和非溶劑的蒸發速率差異可以簡便快捷的制取高分子多孔膜材料。另外，蒸發過程中體系表面的溫度降可能在上表面附近積聚額外的冷凝水（即Breath Figure，BF，水滴模板法），從而在得到更高的整體孔隙率和更低的介電常數的高分子膜。本文以乙基纖維素為基體，乙醇為溶劑，水作為非溶劑，環境條件下自由干燥制備多孔乙基纖維素膜（圖1）。薄膜的整體孔隙率和多孔區域面積由初始加入的水量主導，而BF過程引入的冷凝水與初始加入的水共同構筑薄膜內部的等級孔結構（圖2）。不均勻蒸發導致的表面溫度差誘導內部水分子向薄膜中心區域遷移(Marangoni effect)，從而進一步增加薄膜中心區域的孔隙率并降低介電常數（圖3）。另外，所有多孔膜上/下表面顯示出致密光滑/致密粗糙特征，從而可適配更為廣泛的油墨黏度和印刷技術。乙基纖維素多孔膜在小彎曲幅度下表面出良好的撓曲性，其介電性能由初始加入的水量、蒸發環境濕度和薄膜厚度的協同調控。多孔膜中心區域內不同位置的介電性能高度穩定，且介電損耗在室溫至120 ℃范圍內展現出高度一致性（圖4）。乙基纖維素多孔膜在6 GHz頻率下的介電常數和介電損耗分別為2.02和0.009，達到超低k水平，顯著優于PET等通用一次性塑料，與傳統低介電高分子相當。與一系列已經報道的半生物基樹脂以及纖維素紙相比，其加工成本和綜合性能在一次性射頻應用中具有顯著優勢。乙基纖維素多孔膜適配絲網印刷技術，采用快干銀漿印制的輻射圖案方阻低至4.63 mΩ/sq，且回波損耗曲線與模擬結果能夠很好對應，驗證了其印刷電子應用潛力（圖5）。最后，廢棄天線的襯底和導電物可以通過簡單的溶解-離心步驟回收，具有理想的經濟和環境效益。
2025年9月24日，該工作以“One-step Preparation of Ethyl Cellulose Films with Asymmetric Graded Pores for Low Dielectric Printing Substrates”為題發表于Advanced Materials, 2025, e07704中，武漢理工大學為唯一通訊單位，文章第一作者為武漢理工大學博士生牛富堃，通訊作者為武漢理工大學楊全嶺教授。
圖1：不同水添加量的乙基纖維素多孔膜的數碼照片及斷口形貌（A-E），斷口選取位置（F）以及薄膜孔隙率柱狀圖（G）
圖2：干相轉化和水滴模板過程對斷面形貌的影響（A-C），干相轉化和水滴模板過程的斷面形態與致密膜的對比（D-F），乙基纖維素多孔膜的致密皮層與致密膜表面對比（G-I）
圖3：三元蒸發體系蒸發過程示意圖（A），蒸發伊始和10 min后的蒸發體系的溫度分布（B，C）以及溫度變化曲線（D），干燥過程中的乙基纖維素多孔膜的數碼照片（E）
圖4：不同初始非溶劑添加量的乙基纖維素膜的介電常數和介電損耗（A，B），多孔薄膜不同區域和位置的介電常數比較（C，D）,乙基纖維素膜介電性能的溫度穩定性（E），蒸發環境濕度對乙基纖維素膜介電性能的影響（F），整體厚度對乙基纖維素膜介電常數的影響（G），乙基纖維素多孔膜與半生物基樹脂及纖維素紙的介電性能對比（H）以及與常見低介電高分子性能比較（I）
圖5：乙基纖維素多孔膜GHz頻段介電性能（A），單帖片天線和1×2陣列結構（B）與印刷天線的數碼照片（C），單帖片天線和1×2陣列結構的回波損耗和模擬方向圖（D，E），用于等效堆疊結構介電常數的串聯電容模型（F），印刷面的選取對雙層襯底和輻射性能的影響（G）
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507704
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