物联网（IoT）的快速发展伴随着电子设备，特别是小型射频装置功能上的集成化发展和数量上的爆发式增长。衬底是射频模块的物理载体，其材质和结构很大程度上决定着辐射单元的尺寸以及射频模块收发电磁波的特性。低介电材料是拥有较低介电常数和介电损耗的材料，广泛用于高频电路板、天线衬底以及天线保护罩等领域，有助于降低信号传输延迟和损耗。目前被用于低介电设计的主流材料包括一系列石油基高分子，如聚酰亚胺、聚苯醚、聚苯并噁唑、液晶聚合物、聚四氟乙烯等。考虑到环境效益和废弃难度，石油基高分子可能无法满足未来多元化的应用需求，特别是大批量的一次性中低端应用。

  纤维素是世界上储量最丰富的天然高分子，丰富的羟基结构使其可以通过氧化、酯化、醚化等技术制备一系列物化性质各异的衍生物。乙基纤维素是一种常见的非离子型纤维素醚，广泛用于印刷工业和制药领域。受取代基乙氧基弱极性和庞大体积的影响，高取代度的乙基纤维素介电常数和介电损耗均显著低于纤维素(ε_r= 3.6, tanδ= 0.008, 10 kHz)，考虑到其优异的阻水性，高取代度的乙基纤维素拥有进行低介电结构设计的潜力。另外，多孔结构引入的大量空气(ε_r≈1, tanδ≈0)可以显著降低整体介电极化响应并实现更低的介电性能。

  干相转化(Dry phase inversion)技术是常见的多孔结构设计方法，借助溶剂和非溶剂的蒸发速率差异可以简便快捷的制取高分子多孔膜材料。另外，蒸发过程中体系表面的温度降可能在上表面附近积聚额外的冷凝水（即Breath Figure，BF，水滴模板法），从而在得到更高的整体孔隙率和更低的介电常数的高分子膜。本文以乙基纤维素为基体，乙醇为溶剂，水作为非溶剂，环境条件下自由干燥制备多孔乙基纤维素膜（图1）。薄膜的整体孔隙率和多孔区域面积由初始加入的水量主导，而BF过程引入的冷凝水与初始加入的水共同构筑薄膜内部的等级孔结构（图2）。不均匀蒸发导致的表面温度差诱导内部水分子向薄膜中心区域迁移(Marangoni effect)，从而进一步增加薄膜中心区域的孔隙率并降低介电常数（图3）。另外，所有多孔膜上/下表面显示出致密光滑/致密粗糙特征，从而可适配更为广泛的油墨黏度和印刷技术。乙基纤维素多孔膜在小弯曲幅度下表面出良好的挠曲性，其介电性能由初始加入的水量、蒸发环境湿度和薄膜厚度的协同调控。多孔膜中心区域内不同位置的介电性能高度稳定，且介电损耗在室温至120 ℃范围内展现出高度一致性（图4）。乙基纤维素多孔膜在6 GHz频率下的介电常数和介电损耗分别为2.02和0.009，达到超低k水平，显著优于PET等通用一次性塑料，与传统低介电高分子相当。与一系列已经报道的半生物基树脂以及纤维素纸相比，其加工成本和综合性能在一次性射频应用中具有显著优势。乙基纤维素多孔膜适配丝网印刷技术，采用快干银浆印制的辐射图案方阻低至4.63 mΩ/sq，且回波损耗曲线与模拟结果能够很好对应，验证了其印刷电子应用潜力（图5）。最后，废弃天线的衬底和导电物可以通过简单的溶解-离心步骤回收，具有理想的经济和环境效益。

  2025年9月24日，该工作以“One-step Preparation of Ethyl Cellulose Films with Asymmetric Graded Pores for Low Dielectric Printing Substrates”为题发表于Advanced Materials, 2025, e07704中，武汉理工大学为唯一通讯单位，文章第一作者为武汉理工大学博士生牛富堃，通讯作者为武汉理工大学杨全岭教授。

图1：不同水添加量的乙基纤维素多孔膜的数码照片及断口形貌（A-E），断口选取位置（F）以及薄膜孔隙率柱状图（G）

图2：干相转化和水滴模板过程对断面形貌的影响（A-C），干相转化和水滴模板过程的断面形态与致密膜的对比（D-F），乙基纤维素多孔膜的致密皮层与致密膜表面对比（G-I）

图3：三元蒸发体系蒸发过程示意图（A），蒸发伊始和10 min后的蒸发体系的温度分布（B，C）以及温度变化曲线（D），干燥过程中的乙基纤维素多孔膜的数码照片（E）

图4：不同初始非溶剂添加量的乙基纤维素膜的介电常数和介电损耗（A，B），多孔薄膜不同区域和位置的介电常数比较（C，D）,乙基纤维素膜介电性能的温度稳定性（E），蒸发环境湿度对乙基纤维素膜介电性能的影响（F），整体厚度对乙基纤维素膜介电常数的影响（G），乙基纤维素多孔膜与半生物基树脂及纤维素纸的介电性能对比（H）以及与常见低介电高分子性能比较（I）

图5：乙基纤维素多孔膜GHz频段介电性能（A），单帖片天线和1×2阵列结构（B）与印刷天线的数码照片（C），单帖片天线和1×2阵列结构的回波损耗和模拟方向图（D，E），用于等效堆叠结构介电常数的串联电容模型（F），印刷面的选取对双层衬底和辐射性能的影响（G）

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507704