5G通訊箭在弦上，低介電塑料蓄勢(shì)待發(fā)

一、5G通訊箭在弦上

第五代移動(dòng)電話通訊縮寫為5G。5G通訊不是4G通訊的簡(jiǎn)單升級(jí)，而是通訊方式質(zhì)的飛躍。隨著5G在基帶、芯片、終端、標(biāo)準(zhǔn)層面的逐步完善、以及三大運(yùn)營(yíng)商5G商業(yè)部署進(jìn)程的加快，5G成為2019-2020年科技發(fā)展焦點(diǎn)與核心。

《“十三五”規(guī)劃綱要》提出，要積極推進(jìn)5G發(fā)展，2020年啟動(dòng)5G商用。

《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》提出了到2020年5G技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)取得突破性進(jìn)展的戰(zhàn)略目標(biāo)；863計(jì)劃和重大專項(xiàng)三相繼啟動(dòng)5G研發(fā)項(xiàng)目，積極支持技術(shù)創(chuàng)新；《中國(guó)制造2025》指出應(yīng)全面突破第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)，推動(dòng)核心信息通信設(shè)備體系化發(fā)展與規(guī)模化應(yīng)用；2016年1月啟動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，由IMT-2020(5G)推進(jìn)組負(fù)責(zé)組織實(shí)施。

5G通訊已經(jīng)箭在弦上，呼之欲出。新時(shí)代、新要求、新格局。 “兵馬未動(dòng)糧草先行”，材料是技術(shù)革命實(shí)現(xiàn)的基石，5G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也不例外。

改性塑料是5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)必需的基礎(chǔ)原材料之一，在智能手機(jī)、平板電腦（Ipad）、個(gè)人數(shù)碼助理（PDA）、筆記本電腦、電子書閱讀器、可穿戴設(shè)備、掌上游戲機(jī)和智能金融終端機(jī)（拉卡拉、POS機(jī)）、智能信息終端機(jī)、智能視頻影音終端機(jī)、智能家居、智能家電、智能傳媒、智能汽車、智能交通、智能物流運(yùn)輸、智能城市等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通訊方式的巨大改變使得材料人必須深入研究和設(shè)計(jì)改性塑料的介電性能。

二、改性塑料的絕緣特性及表征

改性塑料在5G時(shí)代可用于設(shè)備的外框、鍵盤、后蓋、中框、支架等部件，具有外殼包覆、裝飾、支撐和連接等作用。常見的改性塑料樹脂如圖1所示。

圖1 改性塑料用高分子樹脂

電工中一般認(rèn)為電阻率超過1010·cm的、在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)為電介質(zhì)，通俗稱之為絕緣材料。絕大多數(shù)高分子樹脂是由碳、氫、氧、氮、硫?yàn)橹魍ㄟ^共價(jià)鍵按照特定的序列和立體構(gòu)型連接起來的大分子量合成材料，分子中沒有可移動(dòng)的自由電子，即使在外加電壓的情況下，也不能形成電子的定向移動(dòng)，同時(shí)，絕大多數(shù)高分子樹脂不含有對(duì)電磁波吸收、反射的金屬元素或分子結(jié)構(gòu)；而高分子樹脂是改性塑料最重要的、占比例最高的基材，因此我們默認(rèn)絕大多數(shù)改性塑料為絕緣性材料。

改性塑料的絕緣性一般通過體積電阻率、介電常數(shù)和介電損耗、擊穿電壓三項(xiàng)表示。

體積電阻率，是材料每單位體積對(duì)電流的阻抗，用來表征材料的電性質(zhì)。通常體積電阻率越高，材料用做電絕緣部件的效能就越高。通常所說的電阻率即為體積電阻率。

式中，h是試樣的厚度（即兩極之間的距離）；S是電極的面積，ρv的單位是Ω·m（歐姆·米）。高分子材料的體積電阻率一般在108-1018Ω·m。

介電常數(shù)（dielectric constant）是表征電介質(zhì)的最基本的參量。表征材料極化并儲(chǔ)存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用ε表示，無量綱。

式中：Cx —電容器兩極板充滿介質(zhì)時(shí)的電容；C—電容器兩極板為真空時(shí)的電容；ε—電容量增加的倍數(shù)，即相對(duì)介電常數(shù)。介電常數(shù)的大小表示該介質(zhì)中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，ε要小，特別是用于高壓絕緣時(shí)。

介電損耗(tgδ)：指電介質(zhì)材料在外電場(chǎng)作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量。介質(zhì)損耗通常是指交流損耗。常將電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。工程中，常將介電損耗用介質(zhì)損耗角正切tgδ來表示。tgδ是絕緣體的無效消耗的能量對(duì)有效輸入的比例，它表示材料在一周期內(nèi)熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量

式中：ω —電源角頻率；R —并聯(lián)等效交流電阻；C —并聯(lián)等效交流電容器

介質(zhì)損耗對(duì)于用在高壓裝置、高頻設(shè)備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質(zhì)損耗過大，不僅降低整機(jī)的性能，甚至?xí)斐山^緣材料的熱擊穿。

擊穿電壓和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度：是表征某種材料絕緣性能最重要參數(shù)。擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也稱為介電強(qiáng)度。兩者的關(guān)系為：

擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度

E=V/h

式中：V—擊穿電壓；h —材料厚度；單位為kv/mm。

表1給出了部分高分子樹脂的介電性能典型參考值。

表1 部分高分子樹脂的介電性能典型參考值

介電常數(shù)ε與材料分子的極化能力息息相關(guān)。高分子樹脂的ε由主鏈結(jié)構(gòu)中的鍵的特性和排列所決定。非極性材料的極化能力小，ε和tg都較小，例如HDPE、PP、PS和PTFE的ε均在3以下；極性材料分子結(jié)構(gòu)中含有極性較強(qiáng)的酯鍵、酰胺鍵、羰基等，導(dǎo)致分子在電場(chǎng)中極化能力較強(qiáng)，ε和tg越大，它們的介電常數(shù)普遍在3-5之間；極性取代基團(tuán)影響更大，且其數(shù)目越多, ε和tg越大，例如離子聚合物、磺酸鹽、馬來酸酐共聚物等。

典型改性塑料是以高分子樹脂為基材，添加了纖維、助劑和填充劑并經(jīng)過高溫?cái)D出造粒過程制得的成分復(fù)雜的復(fù)合材料，介電常數(shù)ε的影響因素更多，不僅與高分子樹脂基材的介電常數(shù)有關(guān)，也與其中添加的纖維、助劑及造粒過程中它們彼此發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)過程形成的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

三、5G通訊與改性塑料介電常數(shù)的關(guān)系

電磁波頻率越高，則波長(zhǎng)越短。我國(guó)的5G初始中頻頻段為3.3-3.6GHz和4.8-5GHz兩個(gè)頻段，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見；而國(guó)際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)。這意味著5G通訊采用毫米波波段。電磁波的波長(zhǎng)越短，繞射能力就越差，傳播過程中的電磁波的衰減也越大，意味著5G通訊的電磁波覆蓋能力和傳輸信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)于4G通訊時(shí)代的大幅度下降，材料方面就需要我們調(diào)控介電性能以降低此影響。

麥克斯韋方程組是電磁學(xué)的基礎(chǔ)方程組，也是聯(lián)系電磁學(xué)和材料介電常數(shù)的紐帶。根據(jù)麥克斯韋方程組及其推導(dǎo)，改性塑料電性能對(duì)電磁信號(hào)傳輸特性影響表現(xiàn)在四個(gè)方面：

1. 介電常數(shù)與電磁信號(hào)傳輸速度ν的關(guān)系

式中，ν為電磁信號(hào)傳輸速度， 為介電常數(shù)。μ為磁導(dǎo)率。

上式表明，材料的介電常數(shù)值越高，電磁信號(hào)傳輸速度越小。

2. 介電常數(shù)與電磁信號(hào)延遲Td的關(guān)系

式中，Td為信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，L為信號(hào)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度；c為光速。

上式表明，材料的介電常數(shù)值越高，電磁信號(hào)的延遲越顯著。

3. 傳輸信號(hào)損失與電性能的關(guān)系

式中，αD為傳輸損失； k是常數(shù)；f為電磁波頻率；c為光速；εr是材料介電常數(shù)；tanδ為介電損耗。

上式表明，介電常數(shù)值越高，電磁信號(hào)的傳輸損失越高。

4. 介電常數(shù)與天線長(zhǎng)度的關(guān)系

式中，λ為電磁信號(hào)在天線中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)； λ0為電磁信號(hào)在真空中的波長(zhǎng)。

上式表明，介電常數(shù)值越高，電磁信號(hào)在天線中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)越高。而根據(jù)天線特性，天線長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)λ成正比，大約在λ的1/10~1/4之間。

5G通訊采用毫米波電磁信號(hào)，天線的長(zhǎng)度也跟著縮短成毫米級(jí)，智能終端多采用多個(gè)天線陣列以保證信號(hào)傳輸。不過，天線特性要求，多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個(gè)波長(zhǎng)以上。調(diào)整和控制天線材料的介電常數(shù)εr即可控制智能終端中天線陣列的容量與排列方式。

四、低介電常數(shù)改性塑料蓄勢(shì)待發(fā)

從上面的分析可知，改性塑料的介電常數(shù)對(duì)5G通訊毫米波的信號(hào)傳輸速度、信號(hào)延遲、信號(hào)損失等的影響很大，降低改性塑料的介電常數(shù)有利于提高智能終端的信號(hào)傳輸速度、降低信號(hào)延遲、減少信號(hào)損失。因此，低介電常數(shù)改性塑料蓄勢(shì)待發(fā)，研究、設(shè)計(jì)并制備各行各業(yè)適用的低介電常數(shù)改性塑料迫在眉睫。

低介電常數(shù)改性塑料的六大應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 5G基站、微基站系統(tǒng)的殼體和包覆、防護(hù)材料；

2. 數(shù)據(jù)通訊終端、多媒體終端等智能終端的殼體、中框等支撐、包覆、防護(hù)材料；

3. 天線與射頻模塊包覆、防護(hù)材料；

4. VR、AR等可穿戴設(shè)備的外殼、中框等防護(hù)、包覆材料；

5. 智慧生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)中各元素的殼體、框架等支撐、防護(hù)材料；

6. 工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛的儀器與設(shè)備的殼體與框架材料。

改性塑料為多成分并經(jīng)過高溫物理化學(xué)過程的復(fù)合材料，降低其介電常數(shù)的途徑很多，最常用的例如：

1. 選擇介電常數(shù)較低的樹脂例如PPO、PS、POK等作為基材或者作為合金成分；

2. 增強(qiáng)纖維采用低介電常數(shù)品種；例如最常用的玻璃纖維的介電常數(shù)6-7左右，目前市場(chǎng)已有介電常數(shù)為4-5的低介電玻璃纖維出現(xiàn)；

3. 配方設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇低介電常數(shù)的助劑，例如增韌劑盡可能采用POE、SEBS等，潤(rùn)滑劑盡可能采用PE蠟、PTFE蠟粉等；

4. 配方中引入低介電常數(shù)填充料，例如云母粉、高嶺土等；

5. 通過添加特殊成分或生產(chǎn)工藝改變材料的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與形態(tài)；

6. 空氣的介電常數(shù)近似1，改性塑料中引入納米或微米級(jí)的微孔可以顯著降低材料的介電常數(shù)。

以低介電常數(shù)改性塑料為基礎(chǔ)，結(jié)合LDS技術(shù)、3D打印技術(shù)、NMT技術(shù)等新工藝技術(shù)，改性塑料必將更好更快的支持和響應(yīng)智慧生態(tài)的到來。必須強(qiáng)調(diào)的是，5G時(shí)代，改性塑料設(shè)計(jì)人員既要關(guān)注改性塑料的力學(xué)性能、耐熱性和加工性能，又要關(guān)注并協(xié)調(diào)材料的介電性能，才能設(shè)計(jì)和制備出滿足萬物互聯(lián)生態(tài)智慧的材料。

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注：本文作者為深圳華力興新材料股份有限公司曹艷霞（博士），艾邦高分子整理。

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