一、5G通訊箭在弦上
第五代移動電話通訊縮寫為5G。5G通訊不是4G通訊的簡單升級，而是通訊方式質的飛躍。隨著5G在基帶、芯片、終端、標準層面的逐步完善、以及三大運營商5G商業部署進程的加快，5G成為2019-2020年科技發展焦點與核心。
《“十三五”規劃綱要》提出，要積極推進5G發展，2020年啟動5G商用。
《國家信息化發展戰略綱要》提出了到2020年5G技術研發和標準取得突破性進展的戰略目標；863計劃和重大專項三相繼啟動5G研發項目，積極支持技術創新；《中國制造2025》指出應全面突破第五代移動通信（5G）技術，推動核心信息通信設備體系化發展與規模化應用；2016年1月啟動5G技術研發試驗，由IMT-2020(5G)推進組負責組織實施。
5G通訊已經箭在弦上，呼之欲出。新時代、新要求、新格局。 “兵馬未動糧草先行”，材料是技術革命實現的基石，5G技術的實現也不例外。
改性塑料是5G技術實現必需的基礎原材料之一，在智能手機、平板電腦（Ipad）、個人數碼助理（PDA）、筆記本電腦、電子書閱讀器、可穿戴設備、掌上游戲機和智能金融終端機（拉卡拉、POS機）、智能信息終端機、智能視頻影音終端機、智能家居、智能家電、智能傳媒、智能汽車、智能交通、智能物流運輸、智能城市等領域廣泛應用。通訊方式的巨大改變使得材料人必須深入研究和設計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時代可用于設備的外框、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
電工中一般認為電阻率超過1010·cm的、在電場中以感應而并非傳導的方式呈現其電學性能的物質為電介質，通俗稱之為絕緣材料。絕大多數高分子樹脂是由碳、氫、氧、氮、硫為主通過共價鍵按照特定的序列和立體構型連接起來的大分子量合成材料，分子中沒有可移動的自由電子，即使在外加電壓的情況下，也不能形成電子的定向移動，同時，絕大多數高分子樹脂不含有對電磁波吸收、反射的金屬元素或分子結構；而高分子樹脂是改性塑料最重要的、占比例最高的基材，因此我們默認絕大多數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、介電常數和介電損耗、擊穿電壓三項表示。
體積電阻率，是材料每單位體積對電流的阻抗，用來表征材料的電性質。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（dielectric constant）是表征電介質的最基本的參量。表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數，用ε表示，無量綱。
式中：Cx —電容器兩極板充滿介質時的電容；C—電容器兩極板為真空時的電容；ε—電容量增加的倍數，即相對介電常數。介電常數的大小表示該介質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。
介電損耗(tgδ)：指電介質材料在外電場作用下發熱而損耗的那部分能量。介質損耗通常是指交流損耗。常將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。工程中，常將介電損耗用介質損耗角正切tgδ來表示。tgδ是絕緣體的無效消耗的能量對有效輸入的比例，它表示材料在一周期內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 —并聯等效交流電阻；C —并聯等效交流電容器
介質損耗對于用在高壓裝置、高頻設備，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，介質損耗過大，不僅降低整機的性能，甚至會造成絕緣材料的熱擊穿。
擊穿電壓和擊穿電場強度：是表征某種材料絕緣性能最重要參數。擊穿電場強度也稱為介電強度。兩者的關系為：
擊穿電場強度
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ε與材料分子的極化能力息息相關。高分子樹脂的ε由主鏈結構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；極性材料分子結構中含有極性較強的酯鍵、酰胺鍵、羰基等，導致分子在電場中極化能力較強，ε和tg越大，它們的介電常數普遍在3-5之間；極性取代基團影響更大，且其數目越多, 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、助劑和填充劑并經過高溫擠出造粒過程制得的成分復雜的復合材料，介電常數ε的影響因素更多，不僅與高分子樹脂基材的介電常數有關，也與其中添加的纖維、助劑及造粒過程中它們彼此發生物理化學反應過程形成的微觀形態結構密切相關。
三、5G通訊與改性塑料介電常數的關系
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控介電性能以降低此影響。
麥克斯韋方程組是電磁學的基礎方程組，也是聯系電磁學和材料介電常數的紐帶。根據麥克斯韋方程組及其推導，改性塑料電性能對電磁信號傳輸特性影響表現在四個方面：
介電常數與電磁信號傳輸速度ν的關系
式中，ν為電磁信號傳輸速度， 為介電常數。μ為磁導率。
上式表明，材料的介電常數值越高，電磁信號傳輸速度越小。
介電常數與電磁信號延遲Td的關系
式中，Td為信號傳輸延遲時間，L為信號傳輸的長度；c為光速。
上式表明，材料的介電常數值越高，電磁信號的延遲越顯著。
傳輸信號損失與電性能的關系
式中，αD為傳輸損失； k是常數；f為電磁波頻率；c為光速；εr是材料介電常數；tanδ為介電損耗。
上式表明，介電常數值越高，電磁信號的傳輸損失越高。
介電常數與天線長度的關系
式中，λ為電磁信號在天線中傳輸的波長； λ0為電磁信號在真空中的波長。
上式表明，介電常數值越高，電磁信號在天線中傳輸的波長越高。而根據天線特性，天線長度應與波長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。調整和控制天線材料的介電常數εr即可控制智能終端中天線陣列的容量與排列方式。
四、低介電常數改性塑料蓄勢待發
從上面的分析可知，改性塑料的介電常數對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，低介電常數改性塑料蓄勢待發，研究、設計并制備各行各業適用的低介電常數改性塑料迫在眉睫。
低介電常數改性塑料的六大應用領域：
5G基站、微基站系統的殼體和包覆、防護材料；
數據通訊終端、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；
智慧生態物聯網、車聯網中各元素的殼體、框架等支撐、防護材料；
工業自動化、遠程醫療、自動駕駛的儀器與設備的殼體與框架材料。
改性塑料為多成分并經過高溫物理化學過程的復合材料，降低其介電常數的途徑很多，最常用的例如：
選擇介電常數較低的樹脂例如PPO、PS、POK等作為基材或者作為合金成分；
增強纖維采用低介電常數品種；例如最常用的玻璃纖維的介電常數6-7左右，目前市場已有介電常數為4-5的低介電玻璃纖維出現；
配方設計時盡量選擇低介電常數的助劑，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填充料，例如云母粉、高嶺土等；
通過添加特殊成分或生產工藝改變材料的微觀拓撲結構與形態；
空氣的介電常數近似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。
以低介電常數改性塑料為基礎，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的到來。必須強調的是，5G時代，改性塑料設計人員既要關注改性塑料的力學性能、耐熱性和加工性能，又要關注并協調材料的介電性能，才能設計和制備出滿足萬物互聯生態智慧的材料。
5G手機時代離我們越來越近，手機的飛速發展離不開性能優良的硬件材料。歡迎加入艾邦5G材料交流群進行交流。
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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活動推薦：邀請函：第三屆特種工程塑料論壇（2019年4月24日 蘇州）
第三屆特種工程塑料論壇
The ThirdPPA,PPS Forum
（2019年4月24日 蘇州）
主要議題：
序號 | 議題 |
1 | PPS在電子領域的應用 |
2 | PPS在新能源汽車的應用 |
3 | 特種工程塑料發展以及趨勢 |
4 | 高溫材料配色解決方案 |
5 | 擠出級PPS材料開發與應用 |
6 | PPS合成工藝路線以及發展 |
7 | PPS改性的研究 |
8 | PPS在5G時代的應用 |
9 | 高溫尼龍在汽車上新應用 |
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