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5G通讯,改性塑料大显身手

一、5G通讯箭在弦上


第五代移动电话通讯缩写为5G。5G通讯不是4G通讯的简单升级,而是通讯方式质的飞跃。随着5G在基带、芯片、终端、标准层面的逐步完善、以及三大运营商5G商业部署进程的加快,5G成为2019-2020年科技发展焦点与核心。

《“十三五”规划纲要》提出,要积极推进5G发展,2020年启动5G商用。

《国家信息化发展战略纲要》提出了到2020年5G技术研发和标准取得突破性进展的战略目标;863计划和重大专项三相继启动5G研发项目,积极支持技术创新;《中国制造2025》指出应全面突破第五代移动通信(5G)技术,推动核心信息通信设备体系化发展与规模化应用;2016年1月启动5G技术研发试验,由IMT-2020(5G)推进组负责组织实施。

5G通讯已经箭在弦上,呼之欲出。新时代、新要求、新格局。 “兵马未动粮草先行”,材料是技术革命实现的基石,5G技术的实现也不例外。

改性塑料是5G技术实现必需的基础原材料之一,在智能手机、平板电脑(Ipad)、个人数码助理(PDA)、笔记本电脑、电子书阅读器、可穿戴设备、掌上游戏机和智能金融终端机(拉卡拉、POS机)、智能信息终端机、智能视频影音终端机、智能家居、智能家电、智能传媒、智能汽车、智能交通、智能物流运输、智能城市等领域广泛应用。通讯方式的巨大改变使得材料人必须深入研究和设计改性塑料的介电性能。


二、改性塑料的绝缘特性及表征


改性塑料在5G时代可用于设备的外框、键盘、后盖、中框、支架等部件,具有外壳包覆、装饰、支撑和连接等作用。常见的改性塑料树脂如图1所示。

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图1改性塑料用高分子树脂

电工中一般认为电阻率超过1010·cm的、在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质为电介质,通俗称之为绝缘材料。绝大多数高分子树脂是由碳、氢、氧、氮、硫为主通过共价键按照特定的序列和立体构型连接起来的大分子量合成材料,分子中没有可移动的自由电子,即使在外加电压的情况下,也不能形成电子的定向移动,同时,绝大多数高分子树脂不含有对电磁波吸收、反射的金属元素或分子结构;而高分子树脂是改性塑料最重要的、占比例最高的基材,因此我们默认绝大多数改性塑料为绝缘性材料。

改性塑料的绝缘性一般通过体积电阻率介电常数介电损耗、击穿电压三项表示。

体积电阻率,是材料每单位体积对电流的阻抗,用来表征材料的电性质。通常体积电阻率越高,材料用做电绝缘部件的效能就越高。通常所说的电阻率即为体积电阻率。

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式中,h是试样的厚度(即两极之间的距离);S是电极的面积,ρv的单位是Ω·m(欧姆·米)。高分子材料的体积电阻率一般在108-1018Ω·m。

介电常数(dielectric constant)是表征电介质的最基本的参量。表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数,用ε表示,无量纲。

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式中:Cx—电容器两极板充满介质时的电容;C—电容器两极板为真空时的电容;ε—电容量增加的倍数,即相对介电常数。介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料,ε要小,特别是用于高压绝缘时。

介电损耗(tgδ):指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。介质损耗通常是指交流损耗。常将电介质在电场作用下,单位时间消耗的电能叫介质损耗。工程中,常将介电损耗用介质损耗角正切tgδ来表示。tgδ是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例,它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比,是衡量材料损耗程度的物理量

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式中:ω—电源角频率;R—并联等效交流电阻;C—并联等效交流电容器

介质损耗对于用在高压装置、高频设备,特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义,介质损耗过大,不仅降低整机的性能,甚至会造成绝缘材料的热击穿。

击穿电压和击穿电场强度是表征某种材料绝缘性能最重要参数。击穿电场强度也称为介电强度。两者的关系为:

击穿电场强度  

E=V/h

式中:V—击穿电压;h —材料厚度;单位为kv/mm。

表1给出了部分高分子树脂的介电性能典型参考值。

表1部分高分子树脂的介电性能典型参考值


介电常数ε与材料分子的极化能力息息相关。高分子树脂的ε由主链结构中的键的特性和排列所决定。非极性材料的极化能力小,ε和tg都较小,例如HDPE、PP、PS和PTFE的ε均在3以下;极性材料分子结构中含有极性较强的酯键、酰胺键、羰基等,导致分子在电场中极化能力较强,ε和tg越大,它们的介电常数普遍在3-5之间;极性取代基团影响更大,且其数目越多, ε和tg越大,例如离子聚合物、磺酸盐、马来酸酐共聚物等。

典型改性塑料是以高分子树脂为基材,添加了纤维、助剂和填充剂并经过高温挤出造粒过程制得的成分复杂的复合材料,介电常数ε的影响因素更多,不仅与高分子树脂基材的介电常数有关,也与其中添加的纤维、助剂及造粒过程中它们彼此发生物理化学反应过程形成的微观形态结构密切相关。


三、5G通讯与改性塑料介电常数的关系


电磁波频率越高,则波长越短。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见;而国际上主要使用28GHz进行试验。这意味着5G通讯采用毫米波波段。电磁波的波长越短,绕射能力就越差,传播过程中的电磁波的衰减也越大,意味着5G通讯的电磁波覆盖能力和传输信号强度相对于4G通讯时代的大幅度下降,材料方面就需要我们调控介电性能以降低此影响。

麦克斯韦方程组是电磁学的基础方程组,也是联系电磁学和材料介电常数的纽带。根据麦克斯韦方程组及其推导,改性塑料电性能对电磁信号传输特性影响表现在四个方面:

  1. 介电常数与电磁信号传输速度ν的关系

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式中,ν为电磁信号传输速度, 为介电常数。μ为磁导率。

上式表明,材料的介电常数值越高,电磁信号传输速度越小。


  1. 介电常数与电磁信号延迟Td的关系

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式中,Td为信号传输延迟时间,L为信号传输的长度;c为光速。

上式表明,材料的介电常数值越高,电磁信号的延迟越显著。


  1. 传输信号损失与电性能的关系

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式中,αD为传输损失; k是常数;f为电磁波频率;c为光速;εr是材料介电常数;tanδ为介电损耗。

上式表明,介电常数值越高,电磁信号的传输损失越高。


  1. 介电常数与天线长度的关系

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式中,λ为电磁信号在天线中传输的波长; λ0为电磁信号在真空中的波长。

上式表明,介电常数值越高,电磁信号在天线中传输的波长越高。而根据天线特性,天线长度应与波长λ成正比,大约在λ的1/10~1/4之间。

5G通讯采用毫米波电磁信号,天线的长度也跟着缩短成毫米级,智能终端多采用多个天线阵列以保证信号传输。不过,天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。调整和控制天线材料的介电常数εr即可控制智能终端中天线阵列的容量与排列方式。


四、低介电常数改性塑料蓄势待发


从上面的分析可知,改性塑料的介电常数对5G通讯毫米波的信号传输速度、信号延迟、信号损失等的影响很大,降低改性塑料的介电常数有利于提高智能终端的信号传输速度、降低信号延迟、减少信号损失。因此,低介电常数改性塑料蓄势待发,研究、设计并制备各行各业适用的低介电常数改性塑料迫在眉睫。

低介电常数改性塑料的六大应用领域:

  1. 5G基站、微基站系统的壳体和包覆、防护材料;

  2. 数据通讯终端、多媒体终端等智能终端的壳体、中框等支撑、包覆、防护材料;

  3. 天线与射频模块包覆、防护材料;

  4. VR、AR等可穿戴设备的外壳、中框等防护、包覆材料;

  5. 智慧生态物联网、车联网中各元素的壳体、框架等支撑、防护材料;

  6. 工业自动化、远程医疗、自动驾驶的仪器与设备的壳体与框架材料。


改性塑料为多成分并经过高温物理化学过程的复合材料,降低其介电常数的途径很多,最常用的例如:

  1. 选择介电常数较低的树脂例如PPO、PS、POK等作为基材或者作为合金成分;

  2. 增强纤维采用低介电常数品种;例如最常用的玻璃纤维的介电常数6-7左右,目前市场已有介电常数为4-5的低介电玻璃纤维出现;

  3. 配方设计时尽量选择低介电常数的助剂,例如增韧剂尽可能采用POE、SEBS等,润滑剂尽可能采用PE蜡、PTFE蜡粉等;

  4. 配方中引入低介电常数填充料,例如云母粉、高岭土等;

  5. 通过添加特殊成分或生产工艺改变材料的微观拓扑结构与形态;

  6. 空气的介电常数近似1,改性塑料中引入纳米或微米级的微孔可以显著降低材料的介电常数。

以低介电常数改性塑料为基础,结合LDS技术、3D打印技术、NMT技术等新工艺技术,改性塑料必将更好更快的支持和响应智慧生态的到来。必须强调的是,5G时代,改性塑料设计人员既要关注改性塑料的力学性能、耐热性和加工性能,又要关注并协调材料的介电性能,才能设计和制备出满足万物互联生态智慧的材料。

5G手机时代离我们越来越近,手机的飞速发展离不开性能优良的硬件材料。欢迎加入艾邦5G材料交流群进行交流。

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注:本文作者为深圳华力兴新材料股份有限公司曹艳霞(博士),艾邦高分子整理。


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