5G通信用
——低介电加纤ASA材料

王 妮，黄天琪，刘成刚，赵光发，任俊杰，张秀文，李建敏，王 琛

(1 青岛海尔新材料研发有限公司，山东 青岛 266300；2 青岛海纳新材料有限公司，山东 青岛 266300)

现如今，人类的衣、食、住、行都与网络密不可分，对于网络的需求也日益增加，来自大量无线设备(如智能手机、笔记本电脑和游戏机等)以及物联网对宽带移动服务的需求，导致了对移动网络宽带的需求开始呈爆炸性增长。因此，需要一种低成本、高数据速率、高服务质量的新方案来解决这种严重的网络拥塞问题，而第五代无线通信网络(5G)有望满足上述要求。无线通讯信号本质上是一种电磁波，而电磁场中普遍存在的电磁干扰、电磁屏蔽、金属的静电屏蔽、金属的耦合效应等电磁场效应会显著影响无线通讯信号传输和接收过程的灵敏度和精确度[1-2]，无线通讯终端选材时必须选用部分电磁波透射材料，以降低电磁干扰，打破电磁屏蔽和金属的静电屏蔽效应、耦合效应[3]。为了防止电磁波信号的互相干扰，这就对5G通讯外壳材料提出了更高的性能要求。

以5G天线外罩为例，它的作用是保护天线系统免受外部环境的影响(如阳光、风雪等)，延长天线寿命，同时还需保证电磁波的透过性，因此天线外罩材料应满足介电性能、力学性能、耐候性、工艺性等条件。天线外罩在起到保护作用的同时，材料的介电性能还会直接影响天线的性能[4]。材料对电磁波的吸收和反射作用会降低信号的传输效率，而 5G的毫米波更容易损耗，因此天线外罩材料需要采用低介电常数、低介电损耗的材料。通用塑料中只含有C、H、O、N等无机元素，不含有可吸收、反射电磁波的金属元素或结构。而ASA材料介电常数较低，介电损耗较小，属于电磁绝缘材料，不会在电磁波作用下形成微电流在无线终端内部形成静电屏蔽，因此可以用作5G通讯设备的外壳[5]。ASA作为一种新型的工程塑料，已广泛应用于各种户外制件中。然而，作为一种优秀的户外材料，它必须具有较好的机械性能，为了提升ASA的强度，选择向其中加入玻璃纤维[6]。

1 实 验

1.1 主要原料

LP2065X ASA，广州熵能创新材料股份有限公司；NF2200 AS，台湾化学纤维股份有限公司；(T439、T436C、T436S)玻璃纤维，泰山玻璃纤维有限公司。

1.2 实验设备

ZSE28MAXX-480双螺杆挤出机，莱斯特瑞兹(Leistritz)集团；90 t海天注塑机，中国海天集团；ECal Module N 469XD介电测试仪，是德科技中国有限公司(keysight)；万能试验机，深圳市凯强利检测所仪器有限公司；摆锤式冲击试验机，美国亚太拉斯电气公司(ATLAS)；热变形/维卡测试仪，美国ATLAS金建检测仪器有限公司；熔融指数仪，AmericIa Tinius Ilsen Testing Machine Company。

1.3 性能测试与结构表征

拉伸性能测试：按照 GB/T 1040-2006标准测试，试验速率为 50 mm/min；

Izod缺口冲击强度测试：按照 GB/T 1843-2008 标准测试；

熔体流动速率测试：按照 GB/T 3682-2000 标准测试，测试条件为 220 ℃/10 kg。

密度测试：按照 GB/T 1033-2008 标准测定。

本文中一共设置了三组不同的实验，选用了ASA和AS塑料进行复配得到复合材料，在复合材料中各加入不同种类的玻璃纤维20份，并加入相关的偶联剂与润滑剂来进行简单的处理，来探究不同玻纤对复合材料的介电性能以及机械性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 加入不同玻纤对塑料性能的影响

从图1中可得，加入玻璃纤维后，复合材料的熔融指数大幅下降，加入的玻璃纤维种类不同，熔融指数也有所区别。加入20份T439短纤、泰山436S短纤以及T635C长纤后，熔融指数分别为4.2 g/10 min、4.0 g/10 min、5.2 g/10 min。

图1 加入不同的玻璃纤维对熔融指数的影响

从图2中可得，加入不同的玻纤后，复合材料的弯曲强度发生了变化。加入20份T439短纤、泰山436S短纤以及T635C长纤后，弯曲强度分别为121.3 MPa、134.7 MPa、127.4 MPa。

图2 加入不同的玻璃纤维对弯曲强度的影响

从图3中可以看出，加入不同的玻纤后，塑料的悬臂梁缺口强度发生了变化。加入20份T439短纤、泰山T436S短纤以及T635C长纤后，塑料的悬臂梁缺口强度分别为62.3 J/m、79 J/m、73 J/m。此外，三组复合材料的密度(1.195 g/cm3)、热变形温度(102 ℃)以及断裂伸长率(7%)，没有太大的区别。而抗冲击性能与弯曲强度与加入的玻纤的性能也有很大关系，因此对于加入的玻璃纤维进行了一系列的研究。

图3 加入不同的玻璃纤维对悬臂梁缺口冲击强度的影响

在各种玻璃中，石英玻璃的介电常数最低为3.8，但由于其成本较高，无法实行工业化大批量生产[7]。此外，由于泰山玻璃纤维有限公司宣称型号为T436S的短纤具有低介电性能，因此测试了加入不同玻纤的复合材料的介电性能以及灼烧后的玻璃纤维的长度。残余玻璃纤维观测：称量20 g的塑料粒子置于干净的坩埚内，并将坩埚置于 600 ℃马弗炉中煅烧 1 h。冷却至室温后取出，然后加入无水乙醇，并进行超声震荡后将其均匀分散开，并置于60 ℃的烘箱内，待无水乙醇全部挥发后，对其中的玻璃纤维进行随机取样，玻璃纤维根数需大于200根[8]。

2.2 加入不同玻纤对塑料介电性能的影响

图4为ASA材料掺入不同种玻纤后测量得到的介电性能。图4为在两种频率下(1.104 GHz、2.474 GHz)三种复合材料的介电常数。从图4中可得，加入20份玻纤后，介电常数有了一定幅度的提升，当测试频率为1.104 GHz时，四种复合材料的介电常数分别为2.728 64、3.042 04、2.979 27、3.09 636，当频率为2.474 GHz时，四种复合材料的介电常数分别为2.819 36、3.129 98、2.971 93以及3.097 7。

图4 两种频率下四种复合材料的介电常数

图4为在两种频率下四种复合材料的介电损耗。从图4中可得，加入20份玻纤后，介电损耗都略有降低。当测试频率为1.104 GHz时，四种复合材料的介电损耗分别为0.014 27、0.014 13、0.013 68、0.013 97，当频率为2.474 GHz时，四种复合材料的介电损耗分别为0.013 5、0.013 07、0.012 55以及0.012 89。这说明玻璃纤维的介电损耗比复合材料的低。但其中T436S型号的玻璃纤维的介电损耗最低，因此更适合用于无线通讯终端材料中。

从图4和图5中可以看出，不同的测试频率下测量出的介电常数与介电损耗都有所差别。具体的影响将会继续进行研究。

图5 两种频率下四种复合材料的介电损耗

2.3 玻纤的形貌分析

图6为三种复合材料燃烧后的灰分拍出的玻纤形貌图。从图6中可以看出，经过螺杆剪切以后，三种玻纤的长度受到了不同程度损耗。

图6 三种配方ASA/GF复合材料光学显微镜图

从图7中可以看出，经过螺杆剪切后，残余的玻纤长度的主要分布区间为0.1～0.4 mm，分布最多的为0.1～0.2 mm。从图8中可以看出，经过螺杆剪切后，残余的玻璃纤维长度的主要分布区间为0.2～0.5 mm，分布最多的为0.3～0.4 mm。从图9中可以看出，经过螺杆剪切后，残余的玻纤长度的主要分布区间为0.2～0.6 mm，分布最多的为0.3～0.5 mm，最长的能达到0.9 mm。剪切前，短纤的长度为4.0 mm，剪切后长玻纤与短玻纤的长度相差不大。

图7 T439玻璃纤维长度正态分布图

图8 T436S玻璃纤维长度正态分布图

图9 T436C玻璃纤维长度正态分布图

此外，可以看出T436S的玻纤长度的正态分布图形的对称性最好，玻璃纤维的保留长度适中、图形呈正态分布，因此熔融指数较低。T439玻纤与复合材料相容性较好，经过螺杆剪切后，玻纤保留长度最短，因此熔融指数略高，抗冲击能力也不如加入T436S的复合材料。而T635C与复合材料的相容性最差，经过螺杆剪切后，玻纤保留长度有很大差距、长短不一，因此熔融指数较高。该结论与图2、图3可互相印证。

为了探究玻璃纤维与复合材料的结合情况，对三种材料的断面情况进行了SEM(扫描电子显微镜)测试。将测试样条在低温箱内(-30 ℃)冷冻3 h后，然后将其破碎形成断面。得到的测试结果如图10所示。

图10 T436s (a)、T439 (b)、T436c (c)的不同放大倍数SEM 图像

图10 为三种复合材料的形貌图。从图10中可以看出，每种玻纤的直径相差不大。此外还截取了细节图观察玻纤与复合材料的界面结合情况。从图10中可以看出，泰山T439玻璃纤维与复合材料结合程度最好，结合处未看到明显的空隙，说明二者的相容性最好，因此掺杂T439玻璃纤维的复合材料的弯曲强度与抗冲击性能最好(如图2、图3所示)。

3 结 论

(1)ASA材料由于耐候好、抗冲击性能较好，可以用在5G通讯设备的外壳上。

(2)加入玻璃纤维后，可以大幅度提升弯曲强度与拉伸强度，但为了更好的传输信号，可以选用低介电性能的玻璃纤维——型号为T436S的泰山玻纤，经实验证明，T436S与ASA的相容性最好，也降低了复合材料的介电损耗。