5G应用催生高分子材料新需求

材料是技术革命实现的基石！

随着第五代移动通信技术（5G）的商用化逐步普及，5G与我们的生产生活已密不可分，5G时代来临！5G通讯是依靠半导体材料和器件，实现无线电磁波远距离传输、收发、处理的通信技术。从4G通讯到5G通讯的转变，是一场技术的革新，同时也伴随着材料领域内的性能升级与产品换代。

5G通信用材料品种异常丰富，从金属材料、陶瓷材料、工程塑料、玻璃材料、复合材料到功能材料，都有着巨大的市场空间。由于5G通信传输速率和信号强度相比4G的提高，在应用端手机、基站、物联网、汽车等硬件载体都对关键基础材料有着更多的需求和更高的要求。适用于5G的塑料高分子材料扮演着不可或缺的角色，塑料也迎来了5G新时代。究竟5G对塑料材料行业带来了什么样的挑战，它的出现又会带来哪些改变呢?本文对5G用先进高分子材料的发展进行一次全扫描。

5G通讯有什么特点？

◆ 极高的速率：5G的传输速率远远大于4G传输速度100倍左右，手机用户在不到一秒时间内即可完成一部高清电影的下载。
◆ 极低的时延：4G的信号时延为140毫秒，而5G的时延降低到1毫秒，比4G整整降低140倍。
◆ 极大的衰减：因为5G的传播频率太高，导致信号很容易被屏蔽和干扰，也很容易在传播介质中衰减。

SABIC最新推出的LNP™ THERMOCOMP™ OFC08V改性料是一种支持激光直接成型（LDS）的聚苯硫醚（PPS）材料，可用于5G基站的塑料偶极天线，具有易加工性和出色的化镀性能（图片来源于网络）。

5G对高分子材料有哪些特殊要求？

◆ 5G的传输速度更快，要求传播介质材料的介电常数和介电损耗要小，这样才能让信号在传输过程中损耗更小。
◆ 5G的电磁波覆盖能力较差，要求材料的电磁屏蔽能力要强，让信号失真更小。
◆ 5G元器件的厚度薄、密封性要好，要求及时散热，材料导热性能要好。
◆ 大规模集成化，特别是PCB行业的制程更加复杂更加密集，要求材料的可靠性更高，包括：低的吸湿，低线膨胀系数，高的玻璃化转变，高热降解温度。
综合起来，5G需要：低介电损耗、高导热和高电磁屏蔽的高分子材料。

5G材料的塑料应用

从5G基建，到5G应用场景，正在悄然掀起新一轮材料革命。在各种材料的争夺战中，塑料凭借其低成本、灵活性、低介电常数、低损耗、高性能等独特优势，将在5G时代大放异彩。5G材料中与塑料高分子比较相关的主要包括天线材料、PCB高频材料、天线振子、电线线缆材料、电子屏蔽材料、导热散热材料、相关的材料助剂与填料及其他应用场景材料等，应用主要有：增强型移动宽带（天线、基站、智能终端）；物联网通讯（智能穿戴、物流）；高可靠低延时通讯（车联网）。

◆ 电磁屏蔽材料
5G时代，高频率的引入及天线数量的成倍增长，使得设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在，电磁屏蔽材料的作用愈发明显。目前，广泛应用于消费电子领域的电磁屏蔽材料主要以聚合物或导电高分子类为主，有导电塑料器件、导电硅胶等。例如，汉高公司在5G时代的通讯设备、智能手机等领域都有布局，包括芯片级电磁干扰（EMI）屏蔽解决方案，可在封装体内提供分腔式的屏蔽保护和在封装表面提供覆膜式屏蔽保护，从而实现更小、更轻薄的电子产品设计。

◆ 导热散热材料
5G时代新产品具有“高热流密度、高功率、稳定性、热响应、超薄”的特性，这就对导热、散热材料提出了更高的要求。导热材料分类繁多，目前广泛应用的导热材料有石墨、PI膜、硅橡胶、改性塑料等。

在终端：一方面，5G的到来将会带来功耗增加和结构变化（内部结构紧凑和机身非金属化）；另一方面，OLED、无线充电等高散热需求型创新渗透率不断提升，在智能手机面向5G进行技术迭代的进程中，导热石墨片的多层化趋势将会持续强化。石墨烯是理想的5G设备导热散热材料，5G手机有望在更多关键零部件部位采用定制化导热石墨烯方案。同时，复合型和多层高导热石墨膜由于具备更优的散热效果而将会被更多采用。

5G应用中的电线线缆（图片来源于网络）

在通信基站端：毫米波叠加超密集组网技术将驱动5G基站数量大幅增加，5G基站中多处结构变化均令散热需求增长，且叠加海量运算需求和大规模多输入多输出（Massive MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技术提升单基站功耗，催生了不同于4G时代基站的新架构下增量散热需求。不少企业致力开发高导热性、适合5G应用的新型导热材料，例如，陶氏的DOWSIL TC-3065导热凝胶，可散发敏感电子组件大量热量。它具出色润湿能力，易填补空隙，并可替代人造橡胶导热垫片，因为这些导热垫片可能无法保护电子产品免受5G更高功率密度带来的高热量伤害。

◆ 透波复合材料
由于5G天线遵循MIMO概念，意思是多输入多输出，这意味着一个基站内可安装多个天线，而这些天线的尺寸又很小，需要天线罩的保护。天线罩要具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上要能经受外部恶劣环境的侵蚀如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等。在材料要求方面，要求材料在工作频率下的介电常数和介质损耗角正切要低，及要有足够的机械强度。在5G趋势下，性能优越的复合材料成为备受欢迎的天线外罩材料，复合材料能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用，而且透波效果非常好。透波复合材料由增强纤维和树脂基体构成，通常，增强材料的力学性能和介电特性均优于树脂基体，故此复合材料的透波性能主要取决于树脂基体的性能。因此，选择具有优良电性能的树脂基体至关重要，同时树脂在复合材料中也起胶粘剂的作用，是决定复合材料耐热性的基本成分。树脂基体主要选择包括：传统的不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、改性酚醛树脂（PF）以及近年来开始研究和应用的氰酸酯树脂（CE）、有机硅树脂、双马来酰亚胺树脂（BMI）、聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型耐高温树脂，多种树脂基体被派上了用场。

◆ 天线材料
无论是基站还是移动终端，天线均用于发射和接受电磁波，其性能的好坏，直接影响到移动通信的质量。5G高频电磁波要求天线材料的损耗更小，具有低损耗因子特性的LCP和MPI在5G天线材料中脱颖而出。

5G应用场景不断拓展，如智能驾驶等，更多材料机遇有待挖掘（图片来源于网络）

工业化液晶聚合物LCP是80年代初期发展起来的一种高性能特种工程塑料，具有低传输损耗、可弯折性、尺寸稳定等优势，拥有“超级工程塑料”之美誉。随着高频高速的5G科技兴起，凭借介电损耗更小，具备灵活性、密封性等特性，LCP成为一种理想的天线材料。

改性聚酰亚胺MPI材料为传统PI软板的改性材料，在中低频的频率范围内综合性能接近LCP材料。LCP作为手机天线材料，虽然优点多多，但在实际应用中，因造价昂贵、工艺复杂，LCP也面临着不少挑战，因此5G时代MPI和LCP将会共存，例如中低频使用MPI，高频使用LCP。苹果手机天线就结合了LCP和最新的MPI技术，以迎合和推进5G技术。

◆ 塑料天线振子
振子是天线内部最为重要的功能性部件，主要负责将信号放大和控制信号辐射方向，同样可以使天线接收到的电磁信号更强。5G要求振子尺寸更小、更轻且数量更多。传统4G振子主要采用金属，但其重量大、安装复杂，在5G时代，质轻、成本低及性能好的塑料振子方案具有一定的综合优势，从而受到关注。

塑料天线振子采用内含有机金属复合物的改性塑料，用注塑成型的方式制造。材料主要包括PPS、LCP及PPA等，具吸水性低、电绝缘性优良、介电损耗低、耐高温等特点。SABIC在今年四月推出了全新基于聚苯硫醚（PPS）树脂的玻纤增强材料，非常适用于5G基站的天线振子和其他电气/电子应用，助力轻量化、高性价比的全塑料天线设计，简化天线生产，推动5G基础设施建设。它在激光直接成型（LDS）工艺中展现出优异的上镀性能，并具有优异的镀层附着力、良好的翘曲控制、耐高温性，以及稳定的介电和射频性能等一系列优势，为可注射成型的新型天线振子设计提供了可行性支持，相比传统的印刷电路板（PCB）组装和选择性电镀塑料方案更具优势。

◆ 高频PCB材料
在5G基站中，印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）作为最基础的连接装置被广泛使用。目前高速高频化趋势下，较为主流的PCB材料包括PTFE、EPBT、CE、PPE、PI等。对于基站PCB而言，最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性，前两点上PTFE基板都具有较好的性能。优异的介电性能有利于信号完整快速地传输，从这角度而言，PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。

聚四氟乙烯（PTFE）被美誉为“塑料王”，具有耐高温特点，使用工作温度达250℃。它在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，是目前为止发现的介电常数最低的高分子材料，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高，是理想的PCB板材料。PTFE还可通过各种形式的填料如玻璃纤维或陶瓷材料加固增强及可改善材料的热膨胀系数，材料兼具PTFE材料本身具有的低的温度特性和电气特性，非常适合于高频毫米波多层板的应用。

◆ 手机后盖材料
5G采用的大规模MIMO技术，手机需要更多的空间来部署大量天线，而金属对毫米波信号会产生屏蔽及干扰，所以5G手机后盖去金属化已然成为一种趋势，玻璃/陶瓷/塑料将成为三大主要原材料，其中塑料复合材料因成本低廉、性价比高，符合5G手机初期降低成本、占领市场的需求，有机会成为中低端智能手机机身的重要选择。例如，科思创就提供模克福®SR多层PC/PMMA共挤薄膜解决方案。通过这种方案，结合全新的制造工艺，生产的手机后盖有玻璃般质感，但不易碎不变形。与传统金属组件不同，高频辐射可穿透这种薄膜。

◆ 电线电缆
5G高速传输中，电线电缆和光纤起到关键的作用，传输材料需要承受封闭在狭窄空间、弯曲和恶劣环境中的挑战，并且需要最佳耐用性以减少浪费。其中，光缆在信号传输的众多线缆中具有许多得天独厚的优势，比如其应用范围比常规铜芯电缆要大得多，能够免于电磁干扰。其次，光缆轻质而不占空间，但却极为结实。而且光缆的介电性能使得它们能够免于电磁干扰。然而，光缆中的光纤必须要确保免受生产以及使用中各种环境条件造成的机械应力的影响，否则会造成光缆线路老化，造成信息传输效率下降，这就需要耐用的线缆保护管和保护套。例如，赢创的聚酰胺VESTAMID®或聚对苯二甲酸丁二酯VESTODUR®就可对光纤提供单独的保护，也可通过电缆结构如电缆护套、电缆保护管等提供保护。VESTAMID®聚酰胺能够提供极佳的动态荷载性能、耐化学性能、冲击强度（尤其是低温冲击强度）以及很高的耐摩擦性能和热稳定性。

5G应用场景拓展 深度释放塑料需求

随着5G通信的普及，5G应用领域及场景将不断拓展，包括计算机、可穿戴设备、医疗、远程教育、智能驾驶、智能家居、云端办公及虚拟现实等，这将进一步释放塑料的需求。已肆虐近三年的新冠疫情又激发了移动办公、远程办公的新需求，5G 技术将助力这一需求的实现，如5G计算机就能够让移动办公轻松进行。

此外，5G智能驾驶兴起，自动驾驶技术不断发展，需要在汽车中装配雷达等全新类型的传感器。使用塑料，此类解决方案就可实现大规模生产。

来源：荣格-《国际塑料商情》

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