5G的兴起自然带动了上游供应链的转型，目前5G通讯已经箭在弦上，呼之欲出5G技术相关的新材料也迎来了新的发展机遇。

 

5G是第五代移动通信技术，将通讯频率提高到5GHz范围。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段，此外，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段的相关技术正在研发中；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，其最大优点为传播速度快，随之带来的最大缺点就是穿透力差、衰减大。

 

正因如此，5G要求传播介质材料的介电常数和介电损耗要小，且在较宽频率范围内保持稳定。5G对低介电材料的介电常数要求在2.8-3.2之间，远远小于4G对介电常数要求3.4-3.7之间的标准。

 

低介电材料目前主要用于天线材料和柔性线路板材料。对于不同的应用场合，介电常数的要求也不同，5G设备要求介电常数小于3，而5G基站要求介电常数小于4即可。

 

那么什么是介电常数？介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数( permittivity，符号ε)，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数的乘积。

 

简单地说，介电常数反映的是电介质在电场中储存静电荷的相对能力，对于介电材料来说，相对介电常数越小绝缘性越好。通常来说，电介质的介电常数会影响其击穿场强和工作电压。理想导体的相对介电常数为无穷大。

 

为获得低介电常数，必须选用非极性分子材料。对于非极性分子，Clausius -Mosotti方程将介电常数ε与极化率α联系起来：

 

上式中N为单位体积内的极化分子数，α为分子极化率，是电子和离子极化率之和，ε0为真空电容率(或称为真空介电常数)。

 

由上式可知降低材料介电常数的途径有：

 

(1)降低分子极化率α，即选择或研发低极化能力的材料；

(2)减小单位体积内极化分子数N，这可以通过降低材料密度实现。

 

降低聚合物材料介电常数的方法和原理：

 

通常降低聚合物材料介电常数的方法有：增加聚合物材料的自由体积，引入氟原子和生成纳米微孔材料。短侧链、柔性桥结构和具有空间体积效应的基团都可以增加聚合物的自由体积。聚合物的自由体积增大，可以降低单位体积内极化基团的数目，从而达到降低介电常数的目的。引入氟原子既可以增加聚合物的热稳定性，又可以降低聚合物的介电常数。这是因为C-F较C-H键有较小偶极和较低的极化率，同时氟原子还能增加自由体积，而这两方面都能降低树脂的介电常数。

 

由于空气具有较低的介电常数，因此降低材料介电常数最有效的方法是在材料中引入纳米微孔。稳定的聚合物被用来做骨架结构，不稳定(对热或者溶剂)聚合物用来做致孔剂。现在被人们用来作致孔剂的有机物有正莰烷衍生物、星型聚合物、高分枝聚合物、两亲嵌段共聚物和环糊精等。对于纳米微孔聚合物而言，其骨架材料的介电常数对该材料的介电常数有很大的影响。例如对于纳米微孔的硅材料(ε=4.2~4.4) 而言，要想介电常数低于2.0，其孔隙率要达到70%，而用甲基硅倍半氧烷(ε=2.7~2.9) 作为骨架结构，孔隙率为25%就可以满足这一要求。

 

改性塑料是5G技术相关器件和终端的基础原材料之一，例如：5G基站、微基站系统的壳体和包覆、防护材料；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；天线与射频模块包覆、防护材料；VR、AR等可穿戴设备的外壳、中框等防护、包覆材料；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；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等领域。目前主要的低介电常数改性塑料为PTFE、PPO、LCP和PI（或MPI）。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。

 

降低改性塑料的介电常数的途径主要有以下几种：

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1、选择介电常数较低的树脂。

 

根据高分子材料的极性大小可以判别材料的介电常数范围。通常，非极性树脂的ε为2.0～2.5，弱极性树脂的ε为2.5～3，中极性树脂的ε为3.0～4.0，而强极性树脂的ε大于4.0，所有纯树脂的介电常数都大于2。例如PPO、PS、POK等作为基材或者作为合金成分。

 

表1 常见高分子材料的介电常数

 

纯树脂中，氟塑料具有较宽的介电常数调控性，如果材料对强度没有要求，可以选用PTFE和PFA；工程塑料中，PPO的介电常数比较低，可以用PPO/HIPS（ε=2.5左右）合金制造壳体，替代4G的常用壳体材料PC/ABS（ε=3左右）；特种工程塑料中，主要选择低介电常数的LCP。虽然LCP具有较低的介电常数，但是大多数等级的LCP还没有满足工业要求的低介电常数规格。

 

化学结构改性也是制备低介电常数树脂的方法之一，如PI有良好的韧性和弹性，较低的密度，非凡的热稳定性，抗辐射性能以及良好的力学性能。但是其不溶的特性给加工和应用带来许多不便之处，因此在其结构中引入一些功能性基团，现在较常用的是引入醚结构和引入支链结构，以增加其在有机溶剂中的溶解性，同时可以降低聚合物的介电常数。Chun-shan wang[1]合成了含萘侧链和芳香醚结构的聚酰亚胺。介电常数为2.78，Tg为294℃，10%热失重为564℃。能溶于三氯甲烷等有机溶剂中，这显然给加工和使用带来了很多方便之处。Hongshen Li等[2]利用含氟二酸酐和芳香族二胺反应合成了一系列力学性能优异的聚酰亚胺，其拉伸强度在8717~10217MP之间，介电常数在2.71~2.79之间，玻璃化温度为245~283℃。

 

2、添加低介电常数助剂、填料或者增强纤维

 

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；低介电常数阻燃剂含磷阻燃剂等。配方中常引入低介电常数填充料，例如云母粉、高岭土等。最有效的降低介电常数添加剂为氮化硼和碳化硅，其中氮化硼的介电常数只有1.6，低于任何树脂的介电常数，但是复合材料的力学性能会受到很多影响。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、通过添加特殊成分或者特殊工艺等改变材料的微观拓扑结构与形态，引入纳米或微米级的微孔。

 

典型的微孔材料为气凝胶材料，如纳米二氧化硅的介电常数为4，而其气凝胶的介电常数可以低到1.1左右。其他微孔材料有空芯玻璃微珠、沸石、分子筛、硅酸钙、蛋白石和硅藻土等，其中空芯玻璃微珠的介电常数仅为1.2-2.2，缺点是熔融混炼加工过程中空芯玻璃微珠很容易破碎。

 

由于空气的介电常数近似1，利用微发泡工艺在改性塑料中引入纳米或微米级微孔。微发泡是指泡孔尺寸在0.1-10μm的发泡材料，与普通发泡材料相比，微发泡技术不仅可以降低材料的密度，且提高制品的力学性能。微发泡是降低介电常数的有效途径，以HDPE微发泡改性为例，制品的密度下降80%时，介电常数下降52%。

 

此外，拓展微发泡技术的应用范围以发展更多种类的低介电常数改性树脂。例如，制造纳米微孔PI的方法有2种[3]：一种是将不稳定的物质和PI共混，然后使不稳定的物质加热分解或者在溶剂中溶解，生成纳米微孔材料。另一种是用不稳定聚合物与聚酰亚胺发生接枝或者嵌段共聚反应，然后使不稳定物质分解或者移除生成纳米微孔结构或者直接用纳米微孔材料与PI接枝或嵌段共聚。Chyi-Ming Leu [4]应用含胺基的多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)和聚酰亚胺接枝聚合，得到介电常数为3.09的聚合物，并且对聚酰亚胺的力学性能没有影响。另外，如Dow化学公司报道Niu J等[5]用原子转移聚合的方法制得了bottlebrush /SiLK嵌段共聚物，其中PS为热不稳定基团，在430℃退火40min后PS分解，得到孔径为30nm、孔隙率为20%~30%的纳米孔SiLK薄膜，其介电常数为2.2~2.3。

 

对于介电材料而言，除了其具有低介电常数以外，其它性能也要满足天线材料和柔性线路板等对电介质材料的要求，如良好的热稳定性，低吸湿性，良好的力学性能，低热膨胀系数等特性。

 

5G在发射基站上至少要比4G基站多2倍以上，5G终端接收设备天线数量由4G的4个增加到5G的8个，相信低介电常数材料的使用量要远比4G材料多。另外，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行业蓄势待发，研究、设计并制备满足5G通讯相关领域适用的低介电常数改性塑料已经成为社会的热点。

 

部分参考文献：

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

来源：UTPE弹性体门户

关键词： 5g 传播介质 介电常数