電磁波頻率越高，則波長越短。我國的5G初始中頻頻段為3.3-3.6GHz和4.8-5GHz兩個頻段，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在征集意見；而國際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗。這意味著5G通訊采用毫米波波段。電磁波的波長越短，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強(qiáng)度相對于4G通訊時代的大幅度下降，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)，改性塑料電性能對電磁信號傳輸特性影響表現(xiàn)在四個方面：
- 介電常數(shù)與電磁信號傳輸速度ν的關(guān)系
式中，ν為電磁信號傳輸速度， 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，電磁信號傳輸速度越小。
- 介電常數(shù)與電磁信號延遲Td的關(guān)系
式中，Td為信號傳輸延遲時間，L為信號傳輸?shù)拈L度；c為光速。
上式表明，材料的介電常數(shù)值越高，電磁信號的延遲越顯著。
- 傳輸信號損失與電性能的關(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，電磁信號的傳輸損失越高。
- 介電常數(shù)與天線長度的關(guān)系
式中，λ為電磁信號在天線中傳輸?shù)牟ㄩL； λ0為電磁信號在真空中的波長。
上式表明，介電常數(shù)值越高，電磁信號在天線中傳輸?shù)牟ㄩL越高。而根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長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，天線的長度也跟著縮短成毫米級，智能終端多采用多個天線陣列以保證信號傳輸。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波長以上。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。
從上面的分析可知，改性塑料的介電常數(shù)對5G通訊毫米波的信號傳輸速度、信號延遲、信號損失等的影響很大，降低改性塑料的介電常數(shù)有利于提高智能終端的信號傳輸速度、降低信號延遲、減少信號損失。因此，低介電常數(shù)改性塑料蓄勢待發(fā)，研究、設(shè)計并制備各行各業(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：
- 5G基站、微基站系統(tǒng)的殼體和包覆、防護(hù)材料；
- 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；
- 天線與射頻模塊包覆、防護(hù)材料；
- VR、AR等可穿戴設(shè)備的外殼、中框等防護(hù)、包覆材料；
- 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；
- 工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛的儀器與設(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：
- 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；
- 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，目前市場已有介電常數(shù)為4-5的低介電玻璃纖維出現(xiàn)；
- 配方設(shè)計時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，潤滑劑盡可能采用PE蠟、PTFE蠟粉等；
- 配方中引入低介電常數(shù)填充料，例如云母粉、高嶺土等；
- 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)；
- 空氣的介電常數(shù)近似1，改性塑料中引入納米或微米級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時代，改性塑料設(shè)計人員既要關(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)計和制備出滿足萬物互聯(lián)生態(tài)智慧的材料。
材料產(chǎn)業(yè)也迎來了5G新時代，在應(yīng)用端手機(jī)、基站、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等硬件載體都將對5G新材料有更多的需求和更高的要求。歡迎長按下方二維碼加入艾邦5G材料交流群進(jìn)行交流，共謀發(fā)展進(jìn)步！
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