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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-09-01 23:01
5G的興起自然帶動了上游供應鏈的轉型，目前5G通訊已經(jīng)箭在弦上，呼之欲出5G技術相關的新材料也迎來了新的發(fā)展機遇。
5G是第五代移動通信技術，將通訊頻率提高到5GHz范圍。我國的5G初始中頻頻段為3.3-3.6GHz和4.8-5GHz兩個頻段，此外，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段的相關技術正在研發(fā)中；而國際上主要使用28GHz進行試驗。這意味著5G通訊采用毫米波波段，其最大優(yōu)點為傳播速度快，隨之帶來的最大缺點就是穿透力差、衰減大。
正因如此，5G要求傳播介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介電損耗要小，且在較寬頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。5G對低介電材料的介電常數(shù)要求在2.8-3.2之間，遠遠小于4G對介電常數(shù)要求3.4-3.7之間的標準。
低介電材料目前主要用于天線材料和柔性線路板材料。對于不同的應用場合，介電常數(shù)的要求也不同，5G設備要求介電常數(shù)小于3，而5G基站要求介電常數(shù)小于4即可。
那么什么是介電常數(shù)？介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為介電常數(shù)( permittivity，符號ε)，與頻率相關。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)的乘積。
簡單地說，介電常數(shù)反映的是電介質(zhì)在電場中儲存靜電荷的相對能力，對于介電材料來說，相對介電常數(shù)越小絕緣性越好。通常來說，電介質(zhì)的介電常數(shù)會影響其擊穿場強和工作電壓。理想導體的相對介電常數(shù)為無窮大。
為獲得低介電常數(shù)，必須選用非極性分子材料。對于非極性分子，Clausius -Mosotti方程將介電常數(shù)ε與極化率α聯(lián)系起來：
上式中N為單位體積內(nèi)的極化分子數(shù)，α為分子極化率，是電子和離子極化率之和，ε0為真空電容率(或稱為真空介電常數(shù))。
由上式可知降低材料介電常數(shù)的途徑有：
(1)降低分子極化率α，即選擇或研發(fā)低極化能力的材料；
(2)減小單位體積內(nèi)極化分子數(shù)N，這可以通過降低材料密度實現(xiàn)。
降低聚合物材料介電常數(shù)的方法和原理：
通常降低聚合物材料介電常數(shù)的方法有：增加聚合物材料的自由體積，引入氟原子和生成納米微孔材料。短側鏈、柔性橋結構和具有空間體積效應的基團都可以增加聚合物的自由體積。聚合物的自由體積增大，可以降低單位體積內(nèi)極化基團的數(shù)目，從而達到降低介電常數(shù)的目的。引入氟原子既可以增加聚合物的熱穩(wěn)定性，又可以降低聚合物的介電常數(shù)。這是因為C-F較C-H鍵有較小偶極和較低的極化率，同時氟原子還能增加自由體積，而這兩方面都能降低樹脂的介電常數(shù)。
由于空氣具有較低的介電常數(shù)，因此降低材料介電常數(shù)最有效的方法是在材料中引入納米微孔。穩(wěn)定的聚合物被用來做骨架結構，不穩(wěn)定(對熱或者溶劑)聚合物用來做致孔劑。現(xiàn)在被人們用來作致孔劑的有機物有正莰烷衍生物、星型聚合物、高分枝聚合物、兩親嵌段共聚物和環(huán)糊精等。對于納米微孔聚合物而言，其骨架材料的介電常數(shù)對該材料的介電常數(shù)有很大的影響。例如對于納米微孔的硅材料(ε=4.2~4.4) 而言，要想介電常數(shù)低于2.0，其孔隙率要達到70%，而用甲基硅倍半氧烷(ε=2.7~2.9) 作為骨架結構，孔隙率為25%就可以滿足這一要求。
改性塑料是5G技術相關器件和終端的基礎原材料之一，例如：5G基站、微基站系統(tǒng)的殼體和包覆、防護材料；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、防護材料；天線與射頻模塊包覆、防護材料；VR、AR等可穿戴設備的外殼、中框等防護、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、防護材料；工業(yè)自動化、遠程醫(yī)療、自動駕駛的儀器與設備的殼體與框架材料等領域。目前主要的低介電常數(shù)改性塑料為PTFE、PPO、LCP和PI（或MPI）。以低介電常數(shù)改性塑料為基礎，結合LDS技術、3D打印技術、NMT技術等新工藝技術，改性塑料必將更好更快的支持和響應智慧生態(tài)的到來。
降低改性塑料的介電常數(shù)的途徑主要有以下幾種：
1、選擇介電常數(shù)較低的樹脂。
根據(jù)高分子材料的極性大小可以判別材料的介電常數(shù)范圍。通常，非極性樹脂的ε為2.0～2.5，弱極性樹脂的ε為2.5～3，中極性樹脂的ε為3.0～4.0，而強極性樹脂的ε大于4.0，所有純樹脂的介電常數(shù)都大于2。例如PPO、PS、POK等作為基材或者作為合金成分。
表1 常見高分子材料的介電常數(shù)
純樹脂中，氟塑料具有較寬的介電常數(shù)調(diào)控性，如果材料對強度沒有要求，可以選用PTFE和PFA；工程塑料中，PPO的介電常數(shù)比較低，可以用PPO/HIPS（ε=2.5左右）合金制造殼體，替代4G的常用殼體材料PC/ABS（ε=3左右）；特種工程塑料中，主要選擇低介電常數(shù)的LCP。雖然LCP具有較低的介電常數(shù)，但是大多數(shù)等級的LCP還沒有滿足工業(yè)要求的低介電常數(shù)規(guī)格。
化學結構改性也是制備低介電常數(shù)樹脂的方法之一，如PI有良好的韌性和彈性，較低的密度，非凡的熱穩(wěn)定性，抗輻射性能以及良好的力學性能。但是其不溶的特性給加工和應用帶來許多不便之處，因此在其結構中引入一些功能性基團，現(xiàn)在較常用的是引入醚結構和引入支鏈結構，以增加其在有機溶劑中的溶解性，同時可以降低聚合物的介電常數(shù)。Chun-shan wang[1]合成了含萘側鏈和芳香醚結構的聚酰亞胺。介電常數(shù)為2.78，Tg為294℃，10%熱失重為564℃。能溶于三氯甲烷等有機溶劑中，這顯然給加工和使用帶來了很多方便之處。Hongshen Li等[2]利用含氟二酸酐和芳香族二胺反應合成了一系列力學性能優(yōu)異的聚酰亞胺，其拉伸強度在8717~10217MP之間，介電常數(shù)在2.71~2.79之間，玻璃化溫度為245~283℃。
2、添加低介電常數(shù)助劑、填料或者增強纖維
配方設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；低介電常數(shù)阻燃劑含磷阻燃劑等。配方中常引入低介電常數(shù)填充料，例如云母粉、高嶺土等。最有效的降低介電常數(shù)添加劑為氮化硼和碳化硅，其中氮化硼的介電常數(shù)只有1.6，低于任何樹脂的介電常數(shù)，但是復合材料的力學性能會受到很多影響。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)。
3、通過添加特殊成分或者特殊工藝等改變材料的微觀拓撲結構與形態(tài)，引入納米或微米級的微孔。
典型的微孔材料為氣凝膠材料，如納米二氧化硅的介電常數(shù)為4，而其氣凝膠的介電常數(shù)可以低到1.1左右。其他微孔材料有空芯玻璃微珠、沸石、分子篩、硅酸鈣、蛋白石和硅藻土等，其中空芯玻璃微珠的介電常數(shù)僅為1.2-2.2，缺點是熔融混煉加工過程中空芯玻璃微珠很容易破碎。
由于空氣的介電常數(shù)近似1，利用微發(fā)泡工藝在改性塑料中引入納米或微米級微孔。微發(fā)泡是指泡孔尺寸在0.1-10μm的發(fā)泡材料，與普通發(fā)泡材料相比，微發(fā)泡技術不僅可以降低材料的密度，且提高制品的力學性能。微發(fā)泡是降低介電常數(shù)的有效途徑，以HDPE微發(fā)泡改性為例，制品的密度下降80%時，介電常數(shù)下降52%。
此外，拓展微發(fā)泡技術的應用范圍以發(fā)展更多種類的低介電常數(shù)改性樹脂。例如，制造納米微孔PI的方法有2種[3]：一種是將不穩(wěn)定的物質(zhì)和PI共混，然后使不穩(wěn)定的物質(zhì)加熱分解或者在溶劑中溶解，生成納米微孔材料。另一種是用不穩(wěn)定聚合物與聚酰亞胺發(fā)生接枝或者嵌段共聚反應，然后使不穩(wěn)定物質(zhì)分解或者移除生成納米微孔結構或者直接用納米微孔材料與PI接枝或嵌段共聚。Chyi-Ming Leu [4]應用含胺基的多面體低聚硅倍半氧烷(POSS)和聚酰亞胺接枝聚合，得到介電常數(shù)為3.09的聚合物，并且對聚酰亞胺的力學性能沒有影響。另外，如Dow化學公司報道Niu J等[5]用原子轉移聚合的方法制得了bottlebrush /SiLK嵌段共聚物，其中PS為熱不穩(wěn)定基團，在430℃退火40min后PS分解，得到孔徑為30nm、孔隙率為20%~30%的納米孔SiLK薄膜，其介電常數(shù)為2.2~2.3。
對于介電材料而言，除了其具有低介電常數(shù)以外，其它性能也要滿足天線材料和柔性線路板等對電介質(zhì)材料的要求，如良好的熱穩(wěn)定性，低吸濕性，良好的力學性能，低熱膨脹系數(shù)等特性。
5G在發(fā)射基站上至少要比4G基站多2倍以上，5G終端接收設備天線數(shù)量由4G的4個增加到5G的8個，相信低介電常數(shù)材料的使用量要遠比4G材料多。另外，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)改性塑料行業(yè)蓄勢待發(fā)，研究、設計并制備滿足5G通訊相關領域適用的低介電常數(shù)改性塑料已經(jīng)成為社會的熱點。
部分參考文獻：
1.Chunshan Wang, et al. Polymer 2000;41:3581-3591.
2.Hongshen Li, et al. Polymer ,2006,47;2006:1443-1450.
3.Yiwang Chena, et al. Materials Letters 2004 ;58 3716-3719 .
4.Chyiming Leu, et al. Chem .Mater 2003 ;15 :2261-2265
5.Romeo M, et al. Advancesin Resist Materials and Processing TechnologyXXIV ,65191K /1-65191K /7
來源：UTPE彈性體門戶
