5G通信用
——低介電加纖ASA材料

王 妮，黃天琪，劉成剛，趙光發(fā)，任俊杰，張秀文，李建敏，王 琛

(1 青島海爾新材料研發(fā)有限公司，山東 青島 266300；2 青島海納新材料有限公司，山東 青島 266300)

現(xiàn)如今，人類的衣、食、住、行都與網(wǎng)絡(luò)密不可分，對于網(wǎng)絡(luò)的需求也日益增加，來自大量無線設(shè)備(如智能手機、筆記本電腦和游戲機等)以及物聯(lián)網(wǎng)對寬帶移動服務(wù)的需求，導(dǎo)致了對移動網(wǎng)絡(luò)寬帶的需求開始呈爆炸性增長。因此，需要一種低成本、高數(shù)據(jù)速率、高服務(wù)質(zhì)量的新方案來解決這種嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，而第五代無線通信網(wǎng)絡(luò)(5G)有望滿足上述要求。無線通訊信號本質(zhì)上是一種電磁波，而電磁場中普遍存在的電磁干擾、電磁屏蔽、金屬的靜電屏蔽、金屬的耦合效應(yīng)等電磁場效應(yīng)會顯著影響無線通訊信號傳輸和接收過程的靈敏度和精確度[1-2]，無線通訊終端選材時必須選用部分電磁波透射材料，以降低電磁干擾，打破電磁屏蔽和金屬的靜電屏蔽效應(yīng)、耦合效應(yīng)[3]。為了防止電磁波信號的互相干擾，這就對5G通訊外殼材料提出了更高的性能要求。

以5G天線外罩為例，它的作用是保護天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境的影響(如陽光、風(fēng)雪等)，延長天線壽命，同時還需保證電磁波的透過性，因此天線外罩材料應(yīng)滿足介電性能、力學(xué)性能、耐候性、工藝性等條件。天線外罩在起到保護作用的同時，材料的介電性能還會直接影響天線的性能[4]。材料對電磁波的吸收和反射作用會降低信號的傳輸效率，而 5G的毫米波更容易損耗，因此天線外罩材料需要采用低介電常數(shù)、低介電損耗的材料。通用塑料中只含有C、H、O、N等無機元素，不含有可吸收、反射電磁波的金屬元素或結(jié)構(gòu)。而ASA材料介電常數(shù)較低，介電損耗較小，屬于電磁絕緣材料，不會在電磁波作用下形成微電流在無線終端內(nèi)部形成靜電屏蔽，因此可以用作5G通訊設(shè)備的外殼[5]。ASA作為一種新型的工程塑料，已廣泛應(yīng)用于各種戶外制件中。然而，作為一種優(yōu)秀的戶外材料，它必須具有較好的機械性能，為了提升ASA的強度，選擇向其中加入玻璃纖維[6]。

1 實 驗

1.1 主要原料

LP2065X ASA，廣州熵能創(chuàng)新材料股份有限公司；NF2200 AS，臺灣化學(xué)纖維股份有限公司；(T439、T436C、T436S)玻璃纖維，泰山玻璃纖維有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

ZSE28MAXX-480雙螺桿擠出機，萊斯特瑞茲(Leistritz)集團；90 t海天注塑機，中國海天集團；ECal Module N 469XD介電測試儀，是德科技中國有限公司(keysight)；萬能試驗機，深圳市凱強利檢測所儀器有限公司；擺錘式?jīng)_擊試驗機，美國亞太拉斯電氣公司(ATLAS)；熱變形/維卡測試儀，美國ATLAS金建檢測儀器有限公司；熔融指數(shù)儀，AmericIa Tinius Ilsen Testing Machine Company。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能測試：按照 GB/T 1040-2006標(biāo)準(zhǔn)測試，試驗速率為 50 mm/min；

Izod缺口沖擊強度測試：按照 GB/T 1843-2008 標(biāo)準(zhǔn)測試；

熔體流動速率測試：按照 GB/T 3682-2000 標(biāo)準(zhǔn)測試，測試條件為 220 ℃/10 kg。

密度測試：按照 GB/T 1033-2008 標(biāo)準(zhǔn)測定。

本文中一共設(shè)置了三組不同的實驗，選用了ASA和AS塑料進行復(fù)配得到復(fù)合材料，在復(fù)合材料中各加入不同種類的玻璃纖維20份，并加入相關(guān)的偶聯(lián)劑與潤滑劑來進行簡單的處理，來探究不同玻纖對復(fù)合材料的介電性能以及機械性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 加入不同玻纖對塑料性能的影響

從圖1中可得，加入玻璃纖維后，復(fù)合材料的熔融指數(shù)大幅下降，加入的玻璃纖維種類不同，熔融指數(shù)也有所區(qū)別。加入20份T439短纖、泰山436S短纖以及T635C長纖后，熔融指數(shù)分別為4.2 g/10 min、4.0 g/10 min、5.2 g/10 min。

圖1 加入不同的玻璃纖維對熔融指數(shù)的影響

從圖2中可得，加入不同的玻纖后，復(fù)合材料的彎曲強度發(fā)生了變化。加入20份T439短纖、泰山436S短纖以及T635C長纖后，彎曲強度分別為121.3 MPa、134.7 MPa、127.4 MPa。

圖2 加入不同的玻璃纖維對彎曲強度的影響

從圖3中可以看出，加入不同的玻纖后，塑料的懸臂梁缺口強度發(fā)生了變化。加入20份T439短纖、泰山T436S短纖以及T635C長纖后，塑料的懸臂梁缺口強度分別為62.3 J/m、79 J/m、73 J/m。此外，三組復(fù)合材料的密度(1.195 g/cm3)、熱變形溫度(102 ℃)以及斷裂伸長率(7%)，沒有太大的區(qū)別。而抗沖擊性能與彎曲強度與加入的玻纖的性能也有很大關(guān)系，因此對于加入的玻璃纖維進行了一系列的研究。

圖3 加入不同的玻璃纖維對懸臂梁缺口沖擊強度的影響

在各種玻璃中，石英玻璃的介電常數(shù)最低為3.8，但由于其成本較高，無法實行工業(yè)化大批量生產(chǎn)[7]。此外，由于泰山玻璃纖維有限公司宣稱型號為T436S的短纖具有低介電性能，因此測試了加入不同玻纖的復(fù)合材料的介電性能以及灼燒后的玻璃纖維的長度。殘余玻璃纖維觀測：稱量20 g的塑料粒子置于干凈的坩堝內(nèi)，并將坩堝置于 600 ℃馬弗爐中煅燒 1 h。冷卻至室溫后取出，然后加入無水乙醇，并進行超聲震蕩后將其均勻分散開，并置于60 ℃的烘箱內(nèi)，待無水乙醇全部揮發(fā)后，對其中的玻璃纖維進行隨機取樣，玻璃纖維根數(shù)需大于200根[8]。

2.2 加入不同玻纖對塑料介電性能的影響

圖4為ASA材料摻入不同種玻纖后測量得到的介電性能。圖4為在兩種頻率下(1.104 GHz、2.474 GHz)三種復(fù)合材料的介電常數(shù)。從圖4中可得，加入20份玻纖后，介電常數(shù)有了一定幅度的提升，當(dāng)測試頻率為1.104 GHz時，四種復(fù)合材料的介電常數(shù)分別為2.728 64、3.042 04、2.979 27、3.09 636，當(dāng)頻率為2.474 GHz時，四種復(fù)合材料的介電常數(shù)分別為2.819 36、3.129 98、2.971 93以及3.097 7。

圖4 兩種頻率下四種復(fù)合材料的介電常數(shù)

圖4為在兩種頻率下四種復(fù)合材料的介電損耗。從圖4中可得，加入20份玻纖后，介電損耗都略有降低。當(dāng)測試頻率為1.104 GHz時，四種復(fù)合材料的介電損耗分別為0.014 27、0.014 13、0.013 68、0.013 97，當(dāng)頻率為2.474 GHz時，四種復(fù)合材料的介電損耗分別為0.013 5、0.013 07、0.012 55以及0.012 89。這說明玻璃纖維的介電損耗比復(fù)合材料的低。但其中T436S型號的玻璃纖維的介電損耗最低，因此更適合用于無線通訊終端材料中。

從圖4和圖5中可以看出，不同的測試頻率下測量出的介電常數(shù)與介電損耗都有所差別。具體的影響將會繼續(xù)進行研究。

圖5 兩種頻率下四種復(fù)合材料的介電損耗

2.3 玻纖的形貌分析

圖6為三種復(fù)合材料燃燒后的灰分拍出的玻纖形貌圖。從圖6中可以看出，經(jīng)過螺桿剪切以后，三種玻纖的長度受到了不同程度損耗。

圖6 三種配方ASA/GF復(fù)合材料光學(xué)顯微鏡圖

從圖7中可以看出，經(jīng)過螺桿剪切后，殘余的玻纖長度的主要分布區(qū)間為0.1～0.4 mm，分布最多的為0.1～0.2 mm。從圖8中可以看出，經(jīng)過螺桿剪切后，殘余的玻璃纖維長度的主要分布區(qū)間為0.2～0.5 mm，分布最多的為0.3～0.4 mm。從圖9中可以看出，經(jīng)過螺桿剪切后，殘余的玻纖長度的主要分布區(qū)間為0.2～0.6 mm，分布最多的為0.3～0.5 mm，最長的能達到0.9 mm。剪切前，短纖的長度為4.0 mm，剪切后長玻纖與短玻纖的長度相差不大。

圖7 T439玻璃纖維長度正態(tài)分布圖

圖8 T436S玻璃纖維長度正態(tài)分布圖

圖9 T436C玻璃纖維長度正態(tài)分布圖

此外，可以看出T436S的玻纖長度的正態(tài)分布圖形的對稱性最好，玻璃纖維的保留長度適中、圖形呈正態(tài)分布，因此熔融指數(shù)較低。T439玻纖與復(fù)合材料相容性較好，經(jīng)過螺桿剪切后，玻纖保留長度最短，因此熔融指數(shù)略高，抗沖擊能力也不如加入T436S的復(fù)合材料。而T635C與復(fù)合材料的相容性最差，經(jīng)過螺桿剪切后，玻纖保留長度有很大差距、長短不一，因此熔融指數(shù)較高。該結(jié)論與圖2、圖3可互相印證。

為了探究玻璃纖維與復(fù)合材料的結(jié)合情況，對三種材料的斷面情況進行了SEM(掃描電子顯微鏡)測試。將測試樣條在低溫箱內(nèi)(-30 ℃)冷凍3 h后，然后將其破碎形成斷面。得到的測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 T436s (a)、T439 (b)、T436c (c)的不同放大倍數(shù)SEM 圖像

圖10 為三種復(fù)合材料的形貌圖。從圖10中可以看出，每種玻纖的直徑相差不大。此外還截取了細(xì)節(jié)圖觀察玻纖與復(fù)合材料的界面結(jié)合情況。從圖10中可以看出，泰山T439玻璃纖維與復(fù)合材料結(jié)合程度最好，結(jié)合處未看到明顯的空隙，說明二者的相容性最好，因此摻雜T439玻璃纖維的復(fù)合材料的彎曲強度與抗沖擊性能最好(如圖2、圖3所示)。

3 結(jié) 論

(1)ASA材料由于耐候好、抗沖擊性能較好，可以用在5G通訊設(shè)備的外殼上。

(2)加入玻璃纖維后，可以大幅度提升彎曲強度與拉伸強度，但為了更好的傳輸信號，可以選用低介電性能的玻璃纖維——型號為T436S的泰山玻纖，經(jīng)實驗證明，T436S與ASA的相容性最好，也降低了復(fù)合材料的介電損耗。