LCPs勇闖5G人才招聘會

楊學(xué)敬，胡劍鋒，張浩

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特 010070

時間倒轉(zhuǎn)至2019年，5G時代的大幕徐徐拉開，移動云計算、可穿戴設(shè)備、無人駕駛、智能家居、高清視頻同攝同傳等新技術(shù)研究如火如荼。彼時5G產(chǎn)業(yè)由日、美、中三分天下，5G通信材料領(lǐng)域戰(zhàn)況尤為激烈。某互聯(lián)網(wǎng)大廠CEO曹老板經(jīng)過深思熟慮，決定趁著大學(xué)生秋招之際，為5G產(chǎn)業(yè)召開一次特殊的人才招聘大會。會場設(shè)在銅雀臺，廣納英雄，唯才是舉。

曹老板打出宣傳語：“呦呦鹿鳴，食野之蘋。我有嘉賓，鼓瑟吹笙?！?/p>

為了鼓勵剛畢業(yè)的新材料們多投簡歷，入職者將由曹老板親自發(fā)送offer。此外，還特贈上等五色絲綢織成的錦袍一匹，賞賜給最有潛力的新材料。

5G材料招聘大會的消息于是迅速傳開，液晶聚合物(LCP)三兄弟結(jié)成“LCP”男團(tuán)前來參加招聘，誓要奪錦而歸。他們分別是大哥主鏈液晶聚合物，二哥側(cè)鏈液晶聚合物，三弟超分子液晶聚合物(圖1)。三人剛剛報名就被網(wǎng)友投票為奪錦的最大熱門。

圖1 三種高分子液晶聚合物結(jié)構(gòu)示意圖

1 液晶簡史

原來，三兄弟來頭不小，出身液晶世家。液晶家族的歷史能追溯到1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer發(fā)現(xiàn)膽甾醇酯擁有兩個熔點(diǎn)，而且兩個熔點(diǎn)之間呈現(xiàn)不同的光學(xué)特性，而德國物理學(xué)家Lehmann用具有加熱功能的顯微鏡研究了它的降溫結(jié)晶過程[1]。從此人類對液晶產(chǎn)生了第一印象，Reinitzer和Lehmann也被稱為液晶科學(xué)之父。顧名思義，液晶處于液體和晶體的中間狀態(tài)。某些物質(zhì)在熔融或溶解之后失去了固態(tài)的剛性，可以像水一樣自由流動，但分子卻像磁場中的小磁針一樣取向有序，這樣的液體就叫做液晶。1922年，法國科學(xué)家Friedel[2]將液晶家族劃分成三類(圖2)：方向一致且分層排列的近晶相(smectic)、方向有序而位置無序的向列相(nematic)、分層排列且每層有一定扭轉(zhuǎn)角度的膽甾相(cholesteric)。20世紀(jì)70年代，顯示技術(shù)的需要促進(jìn)了液晶科學(xué)大發(fā)展[3]。原來，液晶分子處于電場當(dāng)中時，分子排列會被打亂，一部分液晶會使光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過偏光片后會導(dǎo)致顏色深淺的差異。液晶顯示材料于是應(yīng)運(yùn)而生，能耗低、無閃爍、全色彩的優(yōu)點(diǎn)，引領(lǐng)了微電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的革命[4]。

圖2 液晶的三種主要類型

液晶家族人才輩出，20世紀(jì)80年代，又誕生一批青年才俊——液晶聚合物(LCP) (表1)。LCP屬于高性能特種工程塑料，根據(jù)結(jié)晶態(tài)形成條件，可分為溶致型液晶聚合物(LLCP)和熱致型液晶聚合物(TLCP)[5]。

表1 三種典型的液晶聚合物分子結(jié)構(gòu)[6]

2 招聘大會

讓我們回到招聘大會，今日的銅雀臺直播間人氣爆棚，聚酰胺(PA66)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)等數(shù)十種新材料悉數(shù)登場，可是幾輪競聘過去了，“曹老板眉頭緊鎖”的詞條登上微博熱搜。為了打破僵局，大哥主鏈液晶聚合物決定自告奮勇。

大哥：“主公且看，鄙人名叫主鏈液晶聚合物，出身液晶世家，合成上主要依靠縮聚反應(yīng)(圖3)。鄙人的身體由介晶基元、連接基團(tuán)和柔性間隔段組成。介晶基元呈棒狀或盤狀，柔性間隔段呈鏈狀，兩者通過連接基團(tuán)相連。液晶基元有序排列在高分子鏈上，當(dāng)達(dá)到一定條件，分子鏈發(fā)生取向變化，液晶基元產(chǎn)生位移、旋轉(zhuǎn)，可以體現(xiàn)跟晶體一樣的各向異性。如表2所示(數(shù)據(jù)源于SGS檢驗(yàn)認(rèn)證數(shù)據(jù)庫)，與常規(guī)材料相比，我們LCP擁有低的介電常數(shù)、損耗因子、吸水率和高的融化溫度、介電擊穿強(qiáng)度、阻燃性?；谶@些參數(shù)，我具備優(yōu)良的力學(xué)加工性能、抗輻射性能、抗高溫性能、光學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性，令普通塑料望塵莫及。其中，介電常數(shù)、損耗因子和介電擊穿強(qiáng)度是京東方等半導(dǎo)體巨頭關(guān)注的焦點(diǎn)：低的介電常數(shù)意味著5G傳輸速度快，信號所需強(qiáng)度低，手機(jī)元件的介電常數(shù)要求小于3，5G基站要求小于4；低的損耗因子意味著能耗小，數(shù)據(jù)保真度高；極高的介電擊穿強(qiáng)度意味著足夠的安全性和穩(wěn)定性。我們的身體指標(biāo)與5G通訊材料的需求不謀而合，適用于手機(jī)和基站的各種天線、移相器、功分器、濾波器等元件。”

圖3 主鏈液晶聚合物

表2 主要5G材料的基本物理特性參照值[7]

只見大哥展示了自己優(yōu)秀的身體指標(biāo)，臺下連連發(fā)出贊嘆之聲。

曹老板：“素聞LCP賢良之名，今日方乃得見。只怕某些浮躁之人空有滿腹才華，實(shí)無用武之地。有潛力的年輕人我見過很多，你應(yīng)該展示下你的具體分類和作用?！?/p>

大哥：“鄙人不才，出生自20世紀(jì)70年代，代表了大多數(shù)天然液晶聚合物[7]。鄙人是介晶基元處于主鏈上的高分子，分為溶致型和熱致型。溶致型主鏈液晶聚合物是由溶劑破壞晶格產(chǎn)生的，需要滿足以下三個條件：① 聚合物濃度高于臨界值；② 聚合物分子量高于臨界值；③ 溶液溫度低于臨界值。除了研究最多的聚肽、聚芳香酰胺和聚芳香雜環(huán)以外，纖維素及其衍生物也能形成溶致型主鏈液晶聚合物，主要用作纖維和薄膜。而熱致型主鏈液晶聚合物在低溫下為晶體，高溫下為液體，中間為液晶態(tài)。為了能在分解溫度下得到穩(wěn)定的液晶態(tài)，常采用共聚合、引入柔性官能團(tuán)或柔性鏈的方法，以降低分子鏈的規(guī)整度、剛性和熔點(diǎn)。這導(dǎo)致我與普通高分子材料存在較大區(qū)別：① 剪切粘度低；② 沿著取向方向有很高的機(jī)械強(qiáng)度；③ 結(jié)晶程度高，吸潮率低，透氣性弱；④ 由吸潮或升溫引起的體積變化很小?；谝陨闲再|(zhì)，熱致型主鏈液晶聚合物適合用作高精度電路的多接點(diǎn)部件，也能制成抗溶劑的復(fù)雜精密鑄件?！?/p>

曹老板當(dāng)即按下了“offer”鍵：“壯士！請收下錦袍！”

大哥瀟灑地接過錦袍，臉上滿是勝利的喜悅。媒體簇?fù)砩先?，而臺下竟無一人敢于爭鋒，似乎已成眾望所歸。不料，這竟然激起了二哥側(cè)鏈液晶聚合物的好勝心理。

二哥：“哥哥莫欣喜，小弟想要挑戰(zhàn)?！?/p>

曹老板一聽還有人才，開心地說：“這位壯士請上臺介紹下自己?！?/p>

二哥：“在下也是LCP，名叫側(cè)鏈液晶聚合物[7,8]。在下是介晶基元處于聚合物側(cè)鏈上的高分子材料，主要通過自由基聚合、縮合聚合或開環(huán)聚合得到(圖4)。與大哥相比，溶致型側(cè)鏈液晶聚合物的性質(zhì)更依賴介晶基元，而受到聚合物主鏈性質(zhì)的影響較小。達(dá)到與相應(yīng)小分子液晶的相同液晶行為是側(cè)鏈液晶聚合物研究的目標(biāo)之一。為了促進(jìn)液晶相的形成，Ringsdorf與Finkelmann[9]提出了去偶合理論，在介晶基元與主鏈之間插入柔性間隔段，使主鏈無序熱運(yùn)動對側(cè)基的干擾減少，以確保介晶基元的有序排列。這類液晶最關(guān)鍵的作用就是制備各種特殊性能的高分子薄膜，如LB膜、SA膜和微膠囊。與之相對，熱致型側(cè)鏈液晶聚合物的介晶基元只起到連接作用而不參與液晶相的形成，因而能較為完整地呈現(xiàn)小分子液晶的性質(zhì)。熱致型側(cè)鏈液晶聚合物的非線性光學(xué)性質(zhì)在顯示領(lǐng)域備受矚目，利用其熱-光效應(yīng)可以使局部分子失去有序性，從而實(shí)現(xiàn)信息的長久儲存或隨時擦除；同樣，側(cè)鏈液晶聚合物膜用于全息照相能夠?qū)崿F(xiàn)可逆式記錄，成像質(zhì)量也高于傳統(tǒng)鹵化銀感光液；此外，聚硅烷和聚丙烯酸酯組合的側(cè)鏈液晶聚合物在分離順反異構(gòu)體、雜環(huán)芳香化合物和多環(huán)芳烴等時非常高效，為設(shè)計低揮發(fā)、高選擇、熱穩(wěn)定的液晶色譜固定相提供了途徑?！?/p>

圖4 側(cè)鏈液晶聚合物

曹老板一聽二哥有如此多的神通，又是前者的弟弟，思量一番，說道：“委屈長者將錦袍脫下，轉(zhuǎn)賜給側(cè)鏈液晶聚合物。”

這下卻急壞了大哥，他不同意到手的榮譽(yù)被剝奪，兩人竟然爭執(zhí)起來，互不相讓，眼看就要把錦袍扯壞了，公司也緊急關(guān)閉了直播間。

“二位哥哥快快住手！我們兄弟三人此番前來為的是上報國家，下利百姓，豈能因此等虛名傷我等兄弟和氣？”

曹老板：“臺下何人？”

三弟：“小生名叫超分子液晶聚合物，為二人的弟弟?！?/p>

曹老板：“竟又是一位英雄？”

三弟：“小生年紀(jì)尚淺，能耐不能與哥哥們相比?！?/p>

曹老板想試一試他的才華，便說：“我想了解你，觀眾應(yīng)該也對你感到好奇?！?/p>

三弟：“小生明白。小生便是通過多個分子的締合構(gòu)建有序的超分子集合體，叫做超分子液晶聚合物(圖5)[10]。

圖5 超分子液晶聚合物

三弟：“1986年，Jeffrey發(fā)現(xiàn)某些天然糖類高分子通過氫鍵形成了液晶態(tài)。這啟發(fā)了科學(xué)家對LCP的設(shè)計思路，各類分子間作用(分子間氫鍵、離子間相互作用、給受體相互作用等)被引入LCP體系。我的誕生加深了人類對液晶態(tài)結(jié)構(gòu)本質(zhì)的認(rèn)識，開拓了新的研究領(lǐng)域。Kato對含氫鍵LCP的相變進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫鍵給體與氫鍵受體等比例締合時，體系熱穩(wěn)定性最高，調(diào)整兩者的比例可以調(diào)控體系的相變溫度。Ujiie發(fā)現(xiàn)離子間相互作用能在大分子鏈上吸附介晶基元，并使介晶基元相對于大分子平面垂直排列，這種獨(dú)特的性質(zhì)為我在光學(xué)和導(dǎo)電材料上的應(yīng)用提供了可能。此外，在液晶聚合物中引入交聯(lián)劑或利用光照、磁場等條件可以得到液晶彈性體，這種超分子結(jié)構(gòu)能在一定的光、電、磁、壓力條件下恢復(fù)特定取向，因此具有取向記憶功能。Zentel的進(jìn)一步研究表示，利用手性彈性體的鐵電性、壓電性以及取向穩(wěn)定性，可以制造雙穩(wěn)態(tài)顯示裝置?！?/p>

曹老板：“甚合吾意。相信臺下的諸位還有一個共同的疑惑，你能談一談LCP在5G通信產(chǎn)業(yè)的前景和應(yīng)用嗎？最好誠實(shí)作答?！?/p>

三弟：“是這樣的，我們兄弟各具優(yōu)良特性，被視為‘5G時代的關(guān)鍵材料’。由于LCP材料優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，在信號傳輸效率、傳輸可靠性和防潮性上均優(yōu)于其他5G材料，LCP在手機(jī)天線、5G基站、高速連接器、高頻電路板、通信衛(wèi)星、雷達(dá)、藍(lán)牙、智能汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，并將逐步取代相應(yīng)的聚酰亞胺和金屬材料[7]。美國的Li等[11]通過流動自組裝技術(shù)制造了分層排列的光切換液晶聚合物條紋，這代表了一種強(qiáng)大的工藝，可以將聚合物、納米粒子、膠體、DNA等以可控方式繪制成復(fù)雜圖案，用于5G通信的光開關(guān)、防偽標(biāo)簽等。英國倫敦大學(xué)的Jilani等[12]用LCP材料制備了Ka波段(26.5-40.0 GHz)的5G毫米波天線陣列，這種天線能植入5G終端和毫米波可穿戴設(shè)備。這些研究為LCP在5G領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2017年，蘋果公司發(fā)布了搭載LCP手機(jī)天線的iPhone X，并推廣到iPad、Mac等智能設(shè)備當(dāng)中，華為等安卓廠商迅速跟進(jìn)。以手機(jī)和5G基站產(chǎn)業(yè)鏈舉例(圖6)：LCP樹脂材料首先被加工成薄膜，然后與銅箔、粘合劑壓制成三明治結(jié)構(gòu)的LCP-柔性覆銅板，再按廠商需求定制成各種圖樣的柔性電路板，組裝成天線模組，最后安裝在手機(jī)終端當(dāng)中。例如蘋果、華為的5G手機(jī)中就安裝了2至6組LCP天線模組。若智能手機(jī)中的6組天線全部使用LCP材料，那么僅LCP薄膜一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)每年就有233億元的市場潛力。同樣，LCP樹脂可以被澆筑為四臂天線振子，與銅箔等元器件組裝后可以安裝到5G基站上作為信號收發(fā)部件。目前制約LCP產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素是高昂的經(jīng)濟(jì)成本和外國企業(yè)的技術(shù)壁壘?！?/p>

圖6 LCP產(chǎn)業(yè)鏈

曹老板：“善哉。如此看來，LCP材料的國產(chǎn)化已經(jīng)是迫在眉睫。”

3 尾聲

三兄弟最終拔得頭籌，5G材料招聘大會圓滿結(jié)束。曹老板賦詩一首作為結(jié)束陳詞：“月明星稀，烏鵲南飛；繞樹三匝，何枝可依。山不厭高，海不厭深?！?/p>

最終，曹老板向兄弟三人均給出了offer，而錦袍作為團(tuán)體榮譽(yù)授予LCP。入職之后，三人通力協(xié)作，各顯其能，中國的LCP產(chǎn)業(yè)對美、日隱隱有趕超之勢。