■ 代康 （江蘇俊知技術(shù)有限公司 江蘇 宜興 214206）

通信線纜發(fā)泡技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)（上）

■ 代康 （江蘇俊知技術(shù)有限公司 江蘇 宜興 214206）

本文評(píng)述了近年來(lái)以聚烯烴、氟塑料和聚氯乙烯為基料的線纜發(fā)泡聚合物技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。其中聚烯烴包括聚丙烯和聚乙烯，氟塑料包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物/四氟乙烯-六氟丙烯共聚物的共混物、聚偏氟乙烯等。這些發(fā)泡料分別用于通信電纜的發(fā)泡絕緣層以及發(fā)泡護(hù)套層。本文比較了多個(gè)發(fā)泡體系的不同特點(diǎn)，總結(jié)了平行雙導(dǎo)線電纜、RF電纜等高端線纜發(fā)泡的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從線纜聚合物角度預(yù)測(cè)了未來(lái)第五代移動(dòng)通信用傳輸線技術(shù)發(fā)展，并從聚合物黏彈性特點(diǎn)出發(fā)探索如何獲得良好的發(fā)泡性。

線纜聚合物 絕緣 護(hù)套 物理發(fā)泡 化學(xué)發(fā)泡 機(jī)械發(fā)泡 射頻同軸電纜 第五代移動(dòng)通信

引言

發(fā)泡技術(shù)已在線纜制造中獲得普遍應(yīng)用，原因不外兩端：一則可以提高線纜性能，主要是電纜高頻信號(hào)傳輸性能；二則線纜廠家孜孜以求降低材料用量，例如，即使是光纜總成本中微不足道的聚乙烯填充繩，多數(shù)廠家也以物理發(fā)泡擠塑而得。

本文從2015年10月在美國(guó)舉行的第64屆國(guó)際線纜與連接學(xué)術(shù)年會(huì)(IWCS)期間同步舉行的展覽會(huì)、新產(chǎn)品演示會(huì)和交流論文中，挑出幾種有新意的線纜聚合物發(fā)泡材料，額外增加幾個(gè)有代表性的例子，扼要介紹廠家提供的發(fā)泡料技術(shù)指標(biāo)，并根據(jù)作者理解和淺見(jiàn)，補(bǔ)充說(shuō)明每種發(fā)泡料的開(kāi)發(fā)技術(shù)及背景、所適用的線纜產(chǎn)品及其技術(shù)發(fā)展、工藝要點(diǎn)及其對(duì)線纜性能的影響，探索線纜聚合物發(fā)泡技術(shù)的關(guān)鍵共性。

一 化學(xué)發(fā)泡聚丙烯絕緣料

在全球范圍，聚丙烯（PP）的產(chǎn)量高于高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和其它聚烯烴，但至今卻很少用作線纜聚合物，更少見(jiàn)用作絕緣發(fā)泡料。本文從此敷演開(kāi)來(lái)，只因個(gè)中緣由將是貫穿本文的主要線索。

1.1 罕有發(fā)泡聚丙烯線纜料的原因

PP用作發(fā)泡線纜料、尤其是薄壁絕緣發(fā)泡料的優(yōu)勢(shì)十分顯著：介質(zhì)損耗低，密度和介電常數(shù)小于聚乙烯；彈性模量大，有利于避免發(fā)泡絕緣層變形引起電纜傳輸性能畸變；耐熱性好，一般說(shuō)來(lái)比LDPE高出50℃，比HDPE高出30℃，這對(duì)于使用環(huán)境溫度和使用頻率均較高、且要求具備“通過(guò)以太網(wǎng)供電（POE）”能力的數(shù)據(jù)纜而言，PP絕緣優(yōu)勢(shì)不言而喻。

然而，現(xiàn)有通信電纜絕緣料標(biāo)準(zhǔn)[1]和相關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)[2][3][4]中，根本沒(méi)有發(fā)泡PP絕緣料及絕緣芯線的一席之地。究其緣由，非關(guān)PP低溫特性不及PE，而是線型分子鏈結(jié)構(gòu)的PP熔體強(qiáng)度低，可發(fā)泡性極差。

近年來(lái)，得益于聚合單體、基于茂金屬和非茂金屬的單中心催化劑以及聚合工藝的進(jìn)步，可通過(guò)增加線型分子鏈結(jié)構(gòu)的PP樹脂的摩爾質(zhì)量（重均分子量）、加寬其相對(duì)分子量分布（如采用雙峰分布）來(lái)提高PP的熔體強(qiáng)度。更主要的是，長(zhǎng)支鏈型PP樹脂（long-chain branched PP，縮寫為L(zhǎng)CBPP）[5]終于開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。與線型PP相比較，LCB-PP在剪切和拉伸流動(dòng)中表現(xiàn)出顯著的剪切稀化(shear thinning)和應(yīng)變硬化（strain hardening）現(xiàn)象。所謂應(yīng)變硬化是指熔體拉伸達(dá)到一定應(yīng)變后，拉伸黏度隨應(yīng)變?cè)黾佣杆?、非線性地增加，反映了支鏈賦予聚合物熔體的彈性，不但有利于提高熔體強(qiáng)度，還可減輕發(fā)泡過(guò)程中局部泡孔薄壁遭到破壞的程度，讓熔體表現(xiàn)出“自愈”能力，因而泡孔結(jié)構(gòu)更為均勻，發(fā)泡度大為增加（LCB-PP可高達(dá)90%）。將少量LCB-PP與普通線型PP共混，也可得到發(fā)泡性較好的PP共混物[6]。

在具有良好發(fā)泡潛力的PP樹脂中加入化學(xué)發(fā)泡劑、抗氧劑和金屬鈍化劑等添加劑，即可得到化學(xué)發(fā)泡PP絕緣料。

1.2 物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡的比較

回望幾十年來(lái)通信電纜絕緣發(fā)泡技術(shù)史，全塑市內(nèi)通信電纜泡沫絕緣大多采用HDPE化學(xué)發(fā)泡料，發(fā)泡度通常在33%～37%；LDPE化學(xué)發(fā)泡料則廣泛用于生產(chǎn)共用電視（CATV）引入同軸電纜。上世紀(jì)九十年代開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)移動(dòng)通信用同軸電纜，采用惰性氣體超聲波注入擠塑機(jī)機(jī)膛的物理發(fā)泡工藝，因所能達(dá)到的發(fā)泡度高、注入氣體流量可不受機(jī)膛內(nèi)熔體壓力波動(dòng)的影響、無(wú)發(fā)泡劑殘留物、發(fā)泡劑較化學(xué)發(fā)泡劑成本低、擠塑溫度不會(huì)過(guò)多受到發(fā)泡劑限制等優(yōu)勢(shì)，力壓化學(xué)發(fā)泡工藝，也帶動(dòng)對(duì)稱數(shù)據(jù)纜采用物理發(fā)泡工藝。

然而，化學(xué)發(fā)泡沒(méi)有就此淡出線纜業(yè)，自有其優(yōu)勢(shì)存焉：化學(xué)發(fā)泡劑分解后的殘留物可充當(dāng)成核劑，因而可不需額外的成核劑；發(fā)泡劑可預(yù)先均勻地混合在待發(fā)泡樹脂中，若非大的干擾，擠塑時(shí)發(fā)泡氣體自然均勻地溶解在熔體中，發(fā)泡穩(wěn)定性對(duì)擠塑速度和壓力波動(dòng)不敏感，容易保證不同生產(chǎn)批次絕緣芯線發(fā)泡度、同一芯線縱向發(fā)泡度的一致性，其中沿長(zhǎng)度發(fā)泡度變化幅度可達(dá)到不超過(guò)±0.5%的水平，有利于提高電纜沿長(zhǎng)特性阻抗的均勻性；化學(xué)發(fā)泡泡孔細(xì)膩，尺寸均勻。上述優(yōu)點(diǎn)正是獲得良好傳輸性能所必需。

另一方面，物理發(fā)泡也遠(yuǎn)非完美：需要專門的物理發(fā)泡擠塑線，要么采用螺桿設(shè)計(jì)復(fù)雜、長(zhǎng)徑比較大（大于36）的單臺(tái)擠塑機(jī)，要么采用兩臺(tái)擠塑機(jī)串列（一臺(tái)主要功能是讓發(fā)泡劑與熔體充分混合均勻，一臺(tái)則主要是冷卻熔體以提高熔體強(qiáng)度）；發(fā)泡劑二氧化碳（CO2）或氮?dú)猓∟2）注入及計(jì)量系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)困難，注氣壓力受注氣針安裝松緊度影響大，注氣閥、注氣針密封圈容易損壞，注氣針容易因中途停機(jī)而被堵塞、損壞，無(wú)法維持超聲速注入條件，影響注氣及發(fā)泡穩(wěn)定性；“半道”注入的發(fā)泡劑是在線纜擠塑機(jī)中與線纜聚合物混合，分散均勻性不及化學(xué)發(fā)泡。

其實(shí)，以上對(duì)兩種發(fā)泡方式的評(píng)價(jià)僅反映一般性情況，二者優(yōu)劣實(shí)難定論，涉及待發(fā)泡樹脂、發(fā)泡劑、成核劑、擠塑發(fā)泡設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)、工藝參數(shù)和發(fā)泡產(chǎn)品等多個(gè)因素，需要具體情況具體分析。

這里所說(shuō)的化學(xué)發(fā)泡料，是預(yù)先將純的化學(xué)發(fā)泡劑（CBA）、抗氧劑、成核劑（選項(xiàng)）等均勻地混合在待發(fā)泡樹脂中并造粒。CBA分解而釋放氣體的溫度應(yīng)高于待發(fā)泡樹脂熔點(diǎn)，這樣CBA不會(huì)在造粒過(guò)程中提前分解。這種“一站式配齊”（one-stop pack）的優(yōu)點(diǎn)是粒料中各種成分已混合均勻，粒料可直接用于擠塑線纜泡沫層。也有先將CBA與載體樹脂混合造粒得到發(fā)泡劑母粒，在線纜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)將其與待發(fā)泡料按比例加入發(fā)泡擠塑機(jī)，本文不提倡這種做法，更不贊同在線纜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)才將純的CBA與待發(fā)泡樹脂粒料一同加入擠塑機(jī)——由于CBA通常為粉末，即使采用失重式精確加料方式，也無(wú)助于CBA在擠塑機(jī)內(nèi)與樹脂混合的均勻性。

1.3 化學(xué)發(fā)泡PP絕緣料的應(yīng)用

正是PP和化學(xué)發(fā)泡所具有的技術(shù)潛力，化學(xué)發(fā)泡PP絕緣料適于高速擠塑6類及以上等級(jí)局域網(wǎng)對(duì)絞線電纜、數(shù)字通信用平行雙導(dǎo)線電纜、HDMI電纜、Infiniband電纜以及USB電纜中數(shù)據(jù)線等高速對(duì)稱通信電纜和電子線纜的發(fā)泡絕緣芯線。這些不同絕緣芯線的導(dǎo)體直徑通常在0.2～0.6mm，絕緣直徑通常在1.6mm以下，發(fā)泡度中等（35%～50%），發(fā)泡均勻性要求很嚴(yán)。現(xiàn)以適用于高速差分傳輸?shù)钠叫须p導(dǎo)線電纜（Twinax Cable）為例說(shuō)明化學(xué)發(fā)泡的優(yōu)勢(shì)。

平行雙導(dǎo)線電纜的技術(shù)要求可參考文獻(xiàn)[7]的規(guī)定，其單個(gè)線對(duì)單向傳輸速率最高達(dá)25Gb/s，傳輸頻率0.2～25GHz，電纜使用長(zhǎng)度一般在0.5～5m，使用距離主要受到線對(duì)內(nèi)差分信號(hào)傳輸延遲差（intra skew，縮寫為i）的制約。i帶來(lái)碼(符號(hào))間干擾，差模信號(hào)的一部分能量轉(zhuǎn)化為共模噪聲（可由混合S參數(shù)儀測(cè)得的SCD21參數(shù)來(lái)表征），共模噪聲的電壓隨著傳輸距離的增加而線性增加。當(dāng)線對(duì)內(nèi)差分信號(hào)錯(cuò)位時(shí)間比肩信號(hào)上升沿時(shí)間，共模噪聲達(dá)到最大值；當(dāng)信號(hào)錯(cuò)位時(shí)間攀高為一個(gè)信號(hào)周期，差分信號(hào)完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣材Ｔ肼暋Ｍǔ鬏斝盘?hào)上升沿時(shí)間約為信號(hào)周期的7%～10%，以線對(duì)內(nèi)傳輸延遲差不大于信號(hào)周期的1/10（這一限制可能會(huì)放寬）來(lái)估計(jì)最大傳輸距離。舉例來(lái)說(shuō)，按保守的頻譜利用率為2bps/Hz來(lái)考慮，25Gbps傳輸速率需要12.5GHz的帶寬，對(duì)應(yīng)的信號(hào)周期為80ps，則線對(duì)內(nèi)延遲差不得大于8ps；如果電纜的i為8ps/m，則電纜最大傳輸距離為1m。線對(duì)內(nèi)延遲差（i）來(lái)源于線對(duì)內(nèi)兩根導(dǎo)體長(zhǎng)度差和絕緣介電常數(shù)差，見(jiàn)公式（1）：

由式1可見(jiàn)，減少線對(duì)內(nèi)傳輸延遲差的關(guān)鍵之一是兩根導(dǎo)體的物理長(zhǎng)度一致；其二是二者絕緣有效介電常數(shù)相同，并且不單是在同一電纜截面上相同，沿電纜長(zhǎng)度也應(yīng)保持不變。

為了接近上述理想狀態(tài)，可考慮采用整體絕緣結(jié)構(gòu)，即將兩根導(dǎo)體穿過(guò)同一條擠塑生產(chǎn)線的擠塑機(jī)頭，兩根導(dǎo)體有共同的絕緣體。文獻(xiàn)[8]已詳細(xì)介紹了Twin-ax電纜整體絕緣的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，即可以保證兩根導(dǎo)體物理長(zhǎng)度一致以及同一線對(duì)截面上兩根導(dǎo)體絕緣的有效介電常數(shù)一致。

需要說(shuō)明的是，這里所說(shuō)的整體絕緣線對(duì)不同于“粘結(jié)式絕緣線對(duì)”。粘結(jié)式絕緣線對(duì)中，兩根芯線單獨(dú)擠塑后再粘結(jié)在一起；或兩根絕緣芯線由同一臺(tái)擠塑機(jī)同步擠塑，中間只有很少的絕緣料將二者粘結(jié)在一起，因而兩根絕緣芯線仍有相同的“出身”，有利于二者介電常數(shù)一致。粘結(jié)式絕緣仍難以避免線對(duì)屏蔽（金屬帶繞包或縱包）對(duì)單根芯線電容和電感的影響，而整體絕緣中兩根導(dǎo)體間、導(dǎo)體與屏蔽間則沒(méi)有空隙，雖然付出了絕緣料用量增加、擠塑速度降低、擠塑難度增加等代價(jià)，但這些代價(jià)是值得的。

但是，整體絕緣不能惠及芯線介電常數(shù)沿電纜長(zhǎng)度不變。

所謂芯線介電常數(shù)縱向穩(wěn)定性，應(yīng)達(dá)到如下水平：沿長(zhǎng)每隔1m按密度法測(cè)試芯線發(fā)泡度，至少測(cè)試10個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)泡度變化范圍不超過(guò)±0.5%的水平。有廠家已達(dá)到兩根芯線發(fā)泡度波動(dòng)不超過(guò)±0.3%的范圍，線對(duì)內(nèi)延遲差達(dá)到小于3ps/m的水平。

為保持芯線介電常數(shù)縱向穩(wěn)定，采用化學(xué)發(fā)泡可能更為有利，理由已見(jiàn)1.2節(jié)內(nèi)容。

1.4 化學(xué)發(fā)泡工藝控制要點(diǎn)

在實(shí)踐中，化學(xué)發(fā)泡穩(wěn)定均勻的優(yōu)勢(shì)并不能輕易獲得。從發(fā)泡材料來(lái)看發(fā)泡度的控制，不外乎內(nèi)外兩方面。內(nèi)因是發(fā)泡劑加入比例及分散的均勻性；外因則是擠塑發(fā)泡工藝。單說(shuō)CBA的加入比例，很少有材料廠家會(huì)針對(duì)不同電纜絕緣芯線發(fā)泡度的不同，而在絕緣發(fā)泡料中加入含量最合適的發(fā)泡劑。例如，差分阻抗為100Ω的Twin-ax電纜和差分阻抗為90Ω的Type-C型USB電纜數(shù)據(jù)線的發(fā)泡度有所不同（大約分別為50%和40%），但二者卻往往采用同一化學(xué)發(fā)泡絕緣料，需要在生產(chǎn)時(shí)調(diào)整擠塑工藝來(lái)獲得不同的發(fā)泡度，這是化學(xué)發(fā)泡不及物理發(fā)泡靈活之處，后者可以很容易調(diào)節(jié)注入擠塑機(jī)膛的發(fā)泡劑的質(zhì)量。

化學(xué)發(fā)泡最關(guān)鍵的工藝參數(shù)是擠塑溫度。必須嚴(yán)格控制擠塑溫度，才能保持CBA氣體釋放量穩(wěn)定以及熔體黏度均勻，使得氣體均勻溶解于熔體中。目前將擠塑機(jī)溫度波動(dòng)控制在±1℃內(nèi)已無(wú)難度，但還必須避免擠塑機(jī)機(jī)膛相鄰段溫差過(guò)大導(dǎo)致熔體溫度變化梯度大。采用水或油對(duì)螺桿全長(zhǎng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)冷卻，有助于保持機(jī)膛內(nèi)熔體溫度沿螺桿長(zhǎng)度平穩(wěn)變化。通常循環(huán)液溫度接近擠塑機(jī)進(jìn)料段溫度，略低于聚合物熔點(diǎn)，過(guò)低將造成機(jī)膛內(nèi)溫度變化梯度太大，發(fā)泡劑氣體釋放量和熔體溫度波動(dòng)，發(fā)泡氣體不能均勻分散；過(guò)高可使得發(fā)泡劑粘附在螺桿表面而碳化。

除此之外，擠塑輔助裝置也不可忽視。有國(guó)外廠商在機(jī)頭配裝真空裝置，通過(guò)微調(diào)真空度或稍加壓，調(diào)整擠塑模具內(nèi)熔體貼緊流道壁的程度，以此直接控制熔體出模膨脹，提高發(fā)泡度、外徑等參數(shù)反饋控制的速度，遠(yuǎn)比控制擠塑螺桿轉(zhuǎn)速來(lái)得更加靈敏。

1.5 化學(xué)發(fā)泡聚丙烯絕緣料技術(shù)指標(biāo)

表1列出了普立萬(wàn)公司（Polyone）展出的化學(xué)發(fā)泡PP絕緣料MaxxamTMSY 89-23-7的典型數(shù)據(jù)，推薦的加工溫度為190～220℃。表1還引用了通用串行總線電纜（USB電纜）的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]中首次提出的泡沫PP絕緣料技術(shù)要求。

表1 泡沫聚丙烯絕緣料性能

≤-25不要求測(cè)試5拉伸屈服強(qiáng)度 MPa 23.4 ≥20 6斷裂伸長(zhǎng)率 —— 400% ≥300% 7 氧化誘導(dǎo)期（200 ℃，銅杯） min ≥20 ≥20 8 介電常數(shù) 1MHz 1kHz —— 2.24 ≤2.26 9 介質(zhì)損耗因數(shù) 1MHz 1kHz —— 0.0003 ≤0.0005 10體積電阻率 Ω·m ≥1╳1014 ≥1╳101411發(fā)泡度 —— 最大60% 30%～60% 12已發(fā)泡顆粒數(shù) 粒/50g ≤2 ≤3注1：除第11項(xiàng)外，均為未發(fā)泡材料的性能。4 低溫脆化溫度50℃0 -20

物理發(fā)泡聚丙烯絕緣料也可參考表1的規(guī)定，但表中第1項(xiàng)所規(guī)定的材料顏色為本色，且第11項(xiàng)和第12項(xiàng)不作要求。事實(shí)上，化學(xué)發(fā)泡料可直接用于物理發(fā)泡，得到較高的發(fā)泡度和細(xì)膩的泡孔，這時(shí)化學(xué)發(fā)泡劑兼作發(fā)泡成核劑。

PP發(fā)泡絕緣料熔體強(qiáng)度并未出現(xiàn)在表1中。材料廠家不會(huì)向電纜廠家提供這項(xiàng)指標(biāo)。之所以如此，一是尚無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試方法；二是電纜廠家沒(méi)有配備相關(guān)測(cè)試設(shè)備。

這里提供某廠家用于生產(chǎn)平行雙導(dǎo)體電纜的PP發(fā)泡絕緣料中PP樹脂的技術(shù)要求以供參考（測(cè)試溫度190℃）：熔體流動(dòng)速率0.5～8g/10min，熔體強(qiáng)度2～6cN（厘牛，1N=102cN）。

1.6 用于PP絕緣發(fā)泡料的化學(xué)發(fā)泡劑及其母粒

PP發(fā)泡絕緣料采用放熱型發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺（英文縮寫為AC或AZO），顏色為淡黃色，其分解釋放氣體的溫度為205～212℃，產(chǎn)氣量高，釋放氣體中N2占65%，一氧化碳占24%，CO2占5%，氨氣占5%，氣體釋放速率快，分解后殘留物少，對(duì)電纜高頻衰減影響較小。不宜采用白色粉末狀的吸熱型磺酰肼類發(fā)泡劑OBSH，其分解溫度低于AZO，有可能在PP發(fā)泡料造粒時(shí)即分解。

PP發(fā)泡用CBA母粒的載體樹脂宜選用熔點(diǎn)較低的丙烯和α烯烴（如乙烯）的無(wú)規(guī)共聚物，保證發(fā)泡劑充分均勻地分散在PP樹脂中。熔點(diǎn)過(guò)高的載體樹脂可能充當(dāng)異質(zhì)成核劑，使得發(fā)泡過(guò)程變得更加復(fù)雜。載體樹脂也不宜單用LDPE，這將最終影響PP發(fā)泡絕緣層的耐熱性。

1.7 聚合物發(fā)泡性評(píng)價(jià)（1）

線纜聚合物發(fā)泡性如何，最終要由實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。但是，如能通過(guò)適當(dāng)?shù)木€性和非線性流變學(xué)測(cè)試方法篩選出發(fā)泡性能優(yōu)秀的聚合物[10]，不但是材料開(kāi)發(fā)者所追求的目標(biāo)，也有利于線纜廠家降低工藝驗(yàn)證成本。所謂的發(fā)泡性能至少包含泡孔是否容易長(zhǎng)大和泡孔壁是否容易破裂兩方面的內(nèi)容。后者直接關(guān)系到發(fā)泡度，可由熔體強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)；至于前者即發(fā)泡難易性，恰如草蛇灰線，是隱含于本文主要篇幅的另外一條線索。

且看陶氏化學(xué)公司（Dow Chemical）最新開(kāi)發(fā)的可高速擠塑的化學(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料[11]，該料或可和化學(xué)發(fā)泡PP絕緣料一爭(zhēng)高下。目前，化學(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料可用于生產(chǎn)3類到6A類數(shù)據(jù)纜（6A類纜最高使用頻率500MHz）的泡沫絕緣芯線，而6A類以上數(shù)據(jù)纜（其中8類纜最高使用頻率2000MHz）的泡沫HDPE絕緣層則只能采用物理發(fā)泡工藝，這主要是因?yàn)榛瘜W(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料發(fā)泡度有限——雖然材料廠家聲稱可達(dá)到50%（例如陶氏化學(xué)的AXELERONTMCC 3485和CC B-3487），但實(shí)際上達(dá)到40%已屬不易。

陶氏化學(xué)新開(kāi)發(fā)的化學(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料所用基料的密度為0.947g/cm3，熔體指數(shù)為4.0g/10min（190℃）；化學(xué)發(fā)泡劑為AZO。以該料在直徑0.51mm(24AWG)的銅線上擠塑一層厚度為0.203mm的發(fā)泡絕緣層，按芯線同軸電容為52pF/m來(lái)控制發(fā)泡度。測(cè)試得到閉孔泡沫芯線的發(fā)泡度為45%，高出現(xiàn)有市場(chǎng)上知名化學(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料可達(dá)到的37%的發(fā)泡度；芯線表面光滑（光滑度為3.05╳10-3mm），芯線可通過(guò)火花電壓檢測(cè)。

陶氏化學(xué)通過(guò)測(cè)試聚合物熔體剪切和單向拉伸流變性來(lái)分析聚合物發(fā)泡能力。測(cè)試了該化學(xué)發(fā)泡HDPE絕緣料的以下項(xiàng)目：

——熔體強(qiáng)度。聚合物熔體在單向拉伸試驗(yàn)中的拉斷力即熔體強(qiáng)度。雖然泡孔長(zhǎng)大過(guò)程是以雙向拉伸為主要模式，但單向熔體拉伸試驗(yàn)基本能反映該過(guò)程。測(cè)試溫度為190℃，毛細(xì)管擠出速度0.20mm/s，牽引加速度為2.4mm/s2，測(cè)得熔體強(qiáng)度為8cN。

——熔體零切黏度η0和黏彈性松弛譜指數(shù)（Relaxation Spectrum Index，縮寫為）。

采用德州儀器公司的ARES旋轉(zhuǎn)式流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)切變?cè)囼?yàn)(Dynamic oscillatory shear)。測(cè)試時(shí)施加周期性正弦刺激應(yīng)力，保持0.5%的應(yīng)變幅度，測(cè)試頻率范圍為0.1～200Hz，試驗(yàn)溫度為190℃。測(cè)試設(shè)備附帶軟件將測(cè)得的一系列轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨頻率改變而變化的動(dòng)態(tài)模量（包括彈性儲(chǔ)能模量和黏性損耗模量）及動(dòng)態(tài)黏度，再用商業(yè)化軟件（IRIS?流變學(xué)軟件包）處理數(shù)據(jù)，得出η0為3.8╳103Pa·s，為11。

學(xué)術(shù)界已提出了多個(gè)聚合物熔體泡孔成核長(zhǎng)大的模型。泡孔成長(zhǎng)動(dòng)力來(lái)自發(fā)泡氣體的壓力，阻力則來(lái)自熔體的黏滯性，二者達(dá)到平衡時(shí)發(fā)泡結(jié)束。顯然發(fā)泡難易性與熔體黏度有關(guān)，而一些文獻(xiàn)中將其與熔體強(qiáng)度相聯(lián)系、認(rèn)為熔體強(qiáng)度低則容易發(fā)泡的觀點(diǎn)則有欠確切。零剪切速率黏度η0排除了外力場(chǎng)作用的影響，當(dāng)溫度一定時(shí)，只與聚合物重均分子量(MW)有明確的正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)表明，η0越低，則說(shuō)明泡孔生長(zhǎng)越容易，越容易獲得較高的發(fā)泡度。

二 物理發(fā)泡聚乙烯絕緣料

當(dāng)前我國(guó)4G移動(dòng)通信使用頻率上限為2.7GHz，未來(lái)第五代（5G）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)以6GHz以下頻譜為主[12]，為此將重耕現(xiàn)有2G/3G頻譜，并新增國(guó)際電聯(lián)2015年世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC-15）上確定的頻譜（包括1427～1518MHz、3300～3400 MHz、4400～4500MHz、4880～4990MHz）。

無(wú)線通信用聚烯烴泡沫絕緣同軸電纜（業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱為RF纜）標(biāo)準(zhǔn)[13]中部分規(guī)格電纜所要求的測(cè)試頻率已高達(dá)5.9 GHz，近年更有通信設(shè)備廠家要求分別提供1/2”和7/8”規(guī)格RF纜在8GHz和5GHz的技術(shù)指標(biāo)，預(yù)計(jì)RF纜可望滿足利用現(xiàn)有頻段向5G移動(dòng)通信演進(jìn)的需要，并有潛力用于6GHz以下的低頻新空口，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)廣域5G覆蓋。5G基站將更為密集，因而天饋線系統(tǒng)中電纜尺寸不大，但對(duì)電纜衰減能指標(biāo)的控制將更為嚴(yán)格，有必要對(duì)RF纜發(fā)泡聚乙烯絕緣料的介質(zhì)損耗錙銖必較。

2.1 LDPE/HDPE共混料

RF纜的泡沫絕緣層采用物理發(fā)泡擠塑工藝制成，發(fā)泡劑為超臨界態(tài)的二氧化碳（CO2）或氮?dú)猓∟2），發(fā)泡料基礎(chǔ)樹脂幾乎都是HDPE和LDPE的共混物，例如陶氏化學(xué)的AXELERONTMCXA-1253(LDPE)和AXELERONTMCXA-6944(HDPE)、利安德巴塞爾公司（Lyondell Basell）公司的Petrothene NA217808（LDPE）和Alathon M5370RF（HDPE），北歐化工（Borealis）則有經(jīng)典的Borcell HE1123/LE1120(HDPE/LDPE)組合。

LDPE樹脂是在207～310MPa的高壓和200～350℃的高溫下發(fā)生本體聚合，采用過(guò)氧化物作為自由基聚合反應(yīng)的引發(fā)劑，得到的LDPE分子鏈支鏈長(zhǎng)且多，支鏈上還有小支鏈，會(huì)殘留有機(jī)過(guò)氧化物、聚合反應(yīng)鏈轉(zhuǎn)移劑等極性功能化基團(tuán)，存在眾多氧化缺陷；加上LDPE絕緣料中還有抗氧劑和發(fā)生熱氧老化的產(chǎn)物，使得LDPE絕緣料的介電頻譜中出現(xiàn)β峰和γ峰，前者與支鏈引發(fā)的偶極基團(tuán)極化有關(guān)，后者與分子鏈中或外來(lái)雜質(zhì)中的極性基團(tuán)有關(guān)，是LDPE絕緣料的介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）隨頻率上升而增加的主要原因。LDPE介電性能還隨溫度變化而有明顯變化。

HDPE樹脂則依靠催化劑在壓力為2.07MPa、溫度為100℃左右的“相對(duì)低溫低壓”條件下合成，為線型分子鏈結(jié)構(gòu)，只有很少的側(cè)鏈，在交變電場(chǎng)中極少發(fā)生偶極子極化。由于催化劑利用和回收效率的提高，HDPE樹脂純凈度大為提高。與LDPE相比較，頻率較低時(shí)二者的tgδ差距不大，但高頻下差距顯著拉開(kāi)。例如，HE1123在1MHz和1.9GHz的tgδ分別為0.00005和0.00006，LE1120則分別為0.00004和0.00015；CXA-6944的tgδ則幾乎只有CXA-1253的一半。

HDPE優(yōu)異的介電性能對(duì)降低電纜衰減至關(guān)重要。電纜總的衰減由阻抗性衰減和介質(zhì)損耗性衰減兩部分組成，前者主要由電纜趨膚效應(yīng)決定，與頻率的平方根成正比，可采用鍍銀銅線內(nèi)導(dǎo)體、鍍銀銅帶（箔）螺旋繞包加鍍銀銅圓線編織層的雙層外導(dǎo)體，或以光滑銅管外導(dǎo)體[14]取代皺紋銅管外導(dǎo)體以降低阻抗性衰減；后者大小為9.096·εx1/2·tgδ·（單位為dB/100m），與頻率（單位MHz）、介質(zhì)損耗因數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)εx的平方根均成正比。隨著頻率升高，后者在總衰減中所占比例逐步增加。為降低LDPE/HDPE共混料的介質(zhì)損耗因數(shù)，HDPE在共混料中所占比例往往高達(dá)70%～80%。

由于HDPE的彈性模量遠(yuǎn)高于LDPE，增加共混料中HDPE含量的另一好處是可以增強(qiáng)發(fā)泡絕緣纜芯抗壓扁變形的能力，避免電纜安裝和使用中因纜芯變形造成電壓駐波比上升。粗略說(shuō)來(lái)，聚合物發(fā)泡后，其模量減少量正比于其密度減少量（密度減少百分比即為發(fā)泡度）的平方，例如80%的發(fā)泡度意味著發(fā)泡體模量減少了64%。

盡管如此，HDPE/LDPE共混物中LDPE不可或缺，源自于LDPE分子鏈有眾多長(zhǎng)支鏈，熔融狀態(tài)下分子鏈糾纏程度高，因此熔體強(qiáng)度較高，拉伸流動(dòng)中表現(xiàn)出應(yīng)變硬化，有利于避免泡孔破裂、纜芯塌陷以及纜芯熔垂。采用釜式聚合反應(yīng)器可獲得“樹型”分子鏈結(jié)構(gòu)的LDPE，其熔體強(qiáng)度高于管式聚合反應(yīng)器合成的具有“梳子型”分子鏈結(jié)構(gòu)的LDPE樹脂[15]。HDPE則因其線型分子鏈結(jié)構(gòu)而熔體強(qiáng)度較低。HDPE/LDPE共混物的熔體強(qiáng)度介于LDPE和HDPE之間。在共混物中加入更多LDPE將有利于提高發(fā)泡度和得到細(xì)膩的泡孔。

2.2 發(fā)泡成核劑及物理/化學(xué)結(jié)合發(fā)泡法

生產(chǎn)線速度較慢、發(fā)泡度較高的的RF纜往往采用CO2或CO2與氬氣混合物（可以含有少量N2）作為發(fā)泡劑，CO2分子帶極性，在PE熔體中的溶解度是N2的2.5倍，因此選擇CO2作發(fā)泡劑更容易獲得較高的發(fā)泡度。

一般選擇PTFE或AZO作為有機(jī)類成核劑。由于PTFE在發(fā)泡中無(wú)變化，被稱為惰性成核劑，如Dow的DFNA-0078，其介電性能優(yōu)異，對(duì)電纜高頻衰減影響不大。AZO則被稱為活性成核劑，分解時(shí)釋放的熱量可加快載體樹脂熔化，殘留物則可充當(dāng)成核劑，有助于得到細(xì)小泡孔，但對(duì)電纜高頻衰減有所影響。北歐化工推薦的科萊恩公司（Clariant）化學(xué)發(fā)泡劑Hydrocerol? NUC5532和陶氏化學(xué)的DFNA-0012均屬AZO類成核劑。陶氏化學(xué)PTFE和AC類成核劑母粒的載體樹脂為L(zhǎng)DPE，其中純的成核劑所占比例為10%wt（%wt為質(zhì)量百分比），推薦RF纜絕緣料中成核劑母粒加入量為樹脂的1%～1.5%wt。對(duì)于尺寸大、發(fā)泡度高的纜芯，增加絕緣料中成核劑比例非但無(wú)助于得到細(xì)膩密集的閉合泡孔，卻因引起泡孔數(shù)量增多、泡孔壁減薄而極可能造成孔壁破裂。

以放熱型CBA作為物理發(fā)泡的成核劑，或以化學(xué)發(fā)泡料作為物理發(fā)泡的基料，其實(shí)蘊(yùn)含物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡相結(jié)合的色彩；而這種色彩更為強(qiáng)烈的方法是制備固態(tài)CO2干冰，其外形與塑料顆粒相仿佛，與塑料粒料一起加入常規(guī)擠塑機(jī)以實(shí)現(xiàn)發(fā)泡。

2.3 降低LDPE絕緣料的介質(zhì)損耗

降低LDPE/HDPE共混料介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）的關(guān)鍵在于挖掘LDPE的潛力。

美國(guó)陶氏公司電氣和電信業(yè)務(wù)部門在展會(huì)中推出了AXELERON系列CX-1258 CPD低密度聚乙烯，產(chǎn)品賣點(diǎn)正是更低的tgδ，在2.47GHz頻率下的相對(duì)介電常數(shù)為2.27（此處介電常數(shù)及tgδ測(cè)試溫度均為23℃），tgδ為0.00015，較上一代產(chǎn)品（AXELERON? CX-1253 CPD）降低了30%，這未必是業(yè)界最好水平。PETROTHENE?NA 217080（LDPE）在1MHz和2GHz下介質(zhì)損耗均號(hào)稱0.00004。除了各個(gè)廠家測(cè)試方法有所差別外，可能與絕緣料是否加有以及加入多少抗氧劑、金屬離子鈍化劑等有關(guān)。

從CX-1258和CX-1253熔體質(zhì)量流動(dòng)速率（分別為6.0 g/10min和1.8g/10min，190℃/2.16kg測(cè)試）、密度（分別為0.922g/cm3和0.918g/cm3）的差異來(lái)看，二者的相對(duì)分子質(zhì)量和分布明顯有別，顯然合成工藝條件（包括反應(yīng)器類型、聚合效率以及相關(guān)的聚合時(shí)間、溫度和壓力等）已有不同。

測(cè)得CX-1258熔體強(qiáng)度為5.8cN(測(cè)試溫度190℃，其它測(cè)試條件從略)，較上一代LDPE絕緣料略有下降。

2.4 開(kāi)發(fā)高熔體強(qiáng)度的HDPE絕緣料

不論如何努力，LDPE的tgδ始終無(wú)法降到純凈級(jí)HDPE的水平。如能提高HDPE的熔體強(qiáng)度，則可以在發(fā)泡共混料中進(jìn)一步降低LDPE含量，甚至不再使用，無(wú)疑對(duì)降低RF纜高頻衰減大有裨益。

不單是RF纜，電力電纜也需要熔體強(qiáng)度高和tgδ低的超級(jí)潔凈HDPE。利安德巴塞爾公司分子量多峰分布的HDPE絕緣料（牌號(hào)為Petrothene KR52828E）即具有這樣的特點(diǎn)?？梢哉f(shuō)開(kāi)發(fā)RF纜用高熔體強(qiáng)度的高密度聚乙烯（HMS-HDPE）的設(shè)想毫不出奇。事實(shí)上，北歐化工早在2007年即推出以HDPE樹脂為基料、加有成核劑的Borcell HE1106絕緣料，介電性能和發(fā)泡加工性能優(yōu)異，可單獨(dú)用作中小尺寸RF纜的物理發(fā)泡絕緣料，發(fā)泡度可達(dá)80%。

由于線型分子鏈結(jié)構(gòu)正是HDPE介電損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高、彈性模量大等優(yōu)勢(shì)的來(lái)源，不可輕易改變，也許只有采用類似提高線型PP熔體強(qiáng)度的做法來(lái)獲得HMS-HDPE，熔體強(qiáng)度難有根本性改善。北歐化工稱HE1106絕緣料只適合中小尺寸的RF纜，估計(jì)原因就在于其熔體強(qiáng)度畢竟有限，不適合擠塑大規(guī)格電纜，例如內(nèi)導(dǎo)體平均直徑17.5mm、絕緣直徑42mm（又稱1 5/8”規(guī)格）、發(fā)泡度80%左右的RF纜。

2.5 大規(guī)格RF纜絕緣發(fā)泡擠塑

文獻(xiàn)[16]提出RF纜絕緣料熔體強(qiáng)度應(yīng)在4～20cN之間（測(cè)試溫度155℃，其它測(cè)試條件此處省略），宜高于5.5cN。細(xì)究起來(lái)，不同規(guī)格的RF纜發(fā)泡度不同，所需發(fā)泡絕緣料的熔體強(qiáng)度也宜有所不同。發(fā)泡度越高、絕緣截面積越大，則熔體強(qiáng)度應(yīng)越大。

現(xiàn)以大規(guī)格RF纜絕緣擠塑發(fā)泡為例。其難度較大的原因首先在于擠塑模芯與模蓋間隙大，容易導(dǎo)致機(jī)頭內(nèi)熔體因壓力顯著降低而提前發(fā)泡，雖可通過(guò)減小模具間隙以及啟用熔體泵以抬高機(jī)頭內(nèi)熔體壓力來(lái)解決，但泡孔偏大在所難免；其次是發(fā)泡纜芯導(dǎo)熱系數(shù)降低，當(dāng)絕緣層較厚時(shí)，熔體出模后內(nèi)部熔體溫度很難通過(guò)空氣和冷卻水在短時(shí)間內(nèi)降下來(lái)，纜芯徑向溫差大，由此造成徑向發(fā)泡度不均勻本屬正常，但內(nèi)部熔體卻因溫度居高不下而容易發(fā)生泡孔壁破裂和串孔。

更嚴(yán)重的是出現(xiàn)纜芯塌陷。由于靠近機(jī)頭入口一側(cè)的熔體流動(dòng)距離短，而相對(duì)的另一側(cè)（即熔接線附近）的熔體流動(dòng)距離長(zhǎng)，因而該側(cè)熔體壓力損失大；由于出膠量大而導(dǎo)致纜芯有熔垂趨勢(shì)。上述兩種因素聯(lián)合作用，造成導(dǎo)體中心線、熔接線和纜芯底端限定的四分之一圓的區(qū)域上，靠近導(dǎo)體的熔體的壓力偏低，且與導(dǎo)體結(jié)合不緊密，纜芯內(nèi)多余氣體將竄向?qū)w，形成靠近導(dǎo)體的半月牙形的空心，剛開(kāi)始發(fā)泡擠塑時(shí)纜芯尚稱圓整，但一段時(shí)間后形成連貫的空心通道，先是纜芯外表面出現(xiàn)縱向紋路，終至纜芯塌陷不成形。

造成這種現(xiàn)象的根本原因是：泡孔壁過(guò)薄和熔體強(qiáng)度不夠；發(fā)泡劑注入壓力過(guò)高，造成機(jī)膛內(nèi)發(fā)泡劑過(guò)多，但熔體溶解、接納發(fā)泡劑的能力不足，熔體出模膨脹后，多余氣體自然向熔體壓力低的纜芯區(qū)域集中。

提高HDPE/LDPE共混物中LDPE含量，可以提高共混物熔體強(qiáng)度[16]，有利于獲得較高發(fā)泡度。然而，由于LDPE介質(zhì)損耗高于HDPE，不宜簡(jiǎn)單通過(guò)增加LDPE含量來(lái)達(dá)到目的，還需從工藝上想辦法——其實(shí)也就是調(diào)整發(fā)泡纜芯冷卻。

纜芯冷卻的關(guān)鍵是降低導(dǎo)體到絕緣表面的溫度梯度，即放慢外層冷卻速度，以此扭轉(zhuǎn)氣體過(guò)多向中心導(dǎo)體方向擴(kuò)散的趨勢(shì)。為此，纜芯應(yīng)獲得足夠充分的熱水（70～75℃，甚至更高溫度）和溫水冷卻，同時(shí)也要注意避免造成纜芯熔垂變形。另一個(gè)難度很大的方法則是采用滲透力強(qiáng)（即分子尺寸小）的冷卻氣體（如氮?dú)猓├鋮s纜芯，在發(fā)泡完成后立刻實(shí)現(xiàn)纜芯的內(nèi)部冷卻，不給多余氣體亂竄以機(jī)會(huì)。

2.6 聚合物發(fā)泡性評(píng)價(jià)（2）

現(xiàn)在繼續(xù)本文1.7節(jié)關(guān)于聚合物發(fā)泡能力的討論。

首先引出熔體彈性柔量[17]。黏彈性熔體在外力作用下發(fā)生形變，外力撤去后部分形變因熔體儲(chǔ)存的彈性能量而得到恢復(fù)；部分形變因分子鏈滑移而保留下來(lái)，類似電纜業(yè)熟悉的金屬在拉絲過(guò)程中發(fā)生塑性變形。熔體彈性柔量(recovery compliance)c（單位：Pa-1）代表熔體應(yīng)變中的彈性部分，c越大，則可恢復(fù)形變Sx越大，即彈性記憶效應(yīng)越顯著。一般而言，聚合物分子量重量分布越寬，則其熔體彈性越好。c可用轉(zhuǎn)子式流變儀進(jìn)行的蠕變?cè)囼?yàn)而測(cè)得，與1.7節(jié)測(cè)試η0和一樣，均屬于采用轉(zhuǎn)子式流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMTA），目的是表征材料的黏彈性。

歸根到底要從發(fā)泡時(shí)聚合物的狀態(tài)、即聚合物熔體的黏彈性出發(fā)來(lái)研究聚合物發(fā)泡。聚合物黏性和彈性可用η0和c加以表征，也可用其他物料函數(shù)來(lái)定量分析。在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMTA）測(cè)試中，得到的儲(chǔ)能模量（又稱彈性模量）E′反映熔體可回復(fù)彈性變形的能力，而損耗模量E″則表征熔體因黏滯性造成不可逆形變的本領(lǐng)。對(duì)熔體發(fā)泡而言，E′越大，則可能達(dá)到的發(fā)泡度越高；E″越小，則泡孔長(zhǎng)大阻力越小、發(fā)泡越容易。根據(jù)損耗角正切tgδ為E″/E′的定義，顯然tgδ越小越有利于發(fā)泡。然而，熔體線性黏彈性并不能用來(lái)預(yù)測(cè)熔體應(yīng)變硬化行為，而本文1.1節(jié)已提到該行為與聚烯烴發(fā)泡性大有關(guān)聯(lián)，因此是否能夠找到合適的E′和E″測(cè)試條件，并將測(cè)試結(jié)果與實(shí)際擠塑發(fā)泡性能聯(lián)系在一起，還有待進(jìn)一步探索。

三 低密度PTFE帶材

一般認(rèn)為，在5G移動(dòng)通信頻譜規(guī)劃中，6GHz以上的高頻新空口將主要用來(lái)建立小蜂窩（small cell），與低頻宏基站“高低搭配”，構(gòu)成密集區(qū)域容量解決方案，以滿足極高容量和極高用戶體驗(yàn)傳輸速率。2016年6月，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部門(ITU-R)第五研究組召開(kāi)第一次會(huì)議，開(kāi)始著手在24.25～86GHz頻率范圍內(nèi)11個(gè)候選頻段上確定國(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT）所用的頻譜。此前我國(guó)有關(guān)部門發(fā)布的研究報(bào)告[12]中已推薦了13個(gè)6GHz以上的潛在頻段，包括28GHz、38GHz和45GHz這三個(gè)處于或接近毫米波“大氣窗口”的頻段。30～300GHz之間、曾被視為垃圾的毫米波以及6～30GHz的厘米波，成為5G的重要頻譜資源。

2003年后興起的分布式天線系統(tǒng)（Distributed antenna systems，DAS）中，基站被分割為一個(gè)位于中心的基帶單元（BBU）和若干個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元（RRU），RRU靠近發(fā)射天線；后來(lái)我國(guó)學(xué)者提出的云技術(shù)射頻接入網(wǎng)（Cloud radio access network，C-RAN）更將小基站簡(jiǎn)化為遠(yuǎn)端天線（或稱為遠(yuǎn)端射頻頭RRH），將基帶處理功能轉(zhuǎn)移至中央單元（CU）[19]。BBU和RRU之間，或CU與RRH之間的連接稱為前傳（Fronthaul），不論傳輸毫米波、厘米波還是6GHz以下的射頻信號(hào)，采用微波光子學(xué)技術(shù)（Radio over Fiber，縮寫為ROF）的光纖前傳具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，模擬的RF信號(hào)經(jīng)鈮酸鋰晶體構(gòu)成的波導(dǎo)型Mach-Zehnder電光調(diào)制器（MZM）調(diào)制為光信號(hào)，通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，在接收端再解調(diào)為RF信號(hào)。從MZM到天線射頻接口這段很短的射頻通道，當(dāng)RF信號(hào)頻率在6GHz以下時(shí)，本文第2節(jié)已說(shuō)明可由聚烯烴絕緣的RF纜來(lái)?yè)?dān)任；當(dāng)頻率在6GHz以上時(shí)，為了降低射頻通道傳輸衰減，可考慮選擇橢圓波導(dǎo)或微波電纜，但鑒于以下兩項(xiàng)事實(shí)，使用微波電纜更加方便：一是光纖前傳在很大程度上依賴使用通用公共射頻接口（CPRI）標(biāo)準(zhǔn)[20]，該標(biāo)準(zhǔn)雖未限制電纜和連接器類型，但規(guī)定傳輸通道的差分阻抗為100Ω，可來(lái)自兩根阻抗為50Ω的同軸微波電纜；二是完全可以大幅度縮短MZM與天線單元RF端口的距離，甚至將MZM和天線單元集成在一起，名副其實(shí)地體現(xiàn)“光纖到天線”（Fiber To The Antenna, FTTA)的特點(diǎn)，因此這段傳輸線長(zhǎng)度極為有限，其衰減不是關(guān)鍵限制性因素，可以采用微波電纜。微波電纜的關(guān)鍵參數(shù)和制造難度更多體現(xiàn)為電壓駐波比，而毫米波上可用的單個(gè)頻帶很寬、且要求在較寬頻帶上仍保持較低的電壓駐波比，無(wú)疑加大了電纜面臨的考驗(yàn)。

另外，由于超密集分布的RRU（或RRH）發(fā)射功率有限，天線尺寸隨頻率上升而縮小，尤其是由于天線可以設(shè)計(jì)為有源天線（自帶射頻功率放大器），因此微波電纜的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體直徑可減小，電纜截止頻率也因此提高。

在尺寸大為縮小的天線模塊內(nèi)部，為了減小信號(hào)傳輸衰減，所用傳輸線可能放棄同軸電纜（目前主要是實(shí)心聚四氟乙烯絕緣電纜），轉(zhuǎn)向微帶線和矩形波導(dǎo)。由于這兩種傳輸線制造難度大、成本高，且占較大的芯片面積，基板集成波導(dǎo)（substrate integrated waveguide，縮寫為SIW)傳輸線技術(shù)更被看好[21]。

上述微波電纜將是聚四氟乙烯（PTFE）絕緣的同軸電纜。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于采用陣列天線而要求管理射頻通道的相位特性，因此具有穩(wěn)相特性的電纜無(wú)疑將極大方便工程設(shè)計(jì)。PTFE絕緣微波電纜除具備獨(dú)特的穩(wěn)相優(yōu)點(diǎn)外，其高頻衰減低的優(yōu)勢(shì)罕有其匹，而耐高溫的特點(diǎn)也有利于提高電纜饋送功率。

實(shí)心PTFE絕緣同軸電纜已用于移動(dòng)通信天線單元內(nèi)部，標(biāo)準(zhǔn)[22]規(guī)定其最高使用頻率為6GHz，且無(wú)穩(wěn)相要求，用在5G移動(dòng)通信天饋系統(tǒng)中難免力有不逮。與之相比，微孔PTFE絕緣電纜具有衰減低和節(jié)約PTFE材料的優(yōu)點(diǎn)，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[23]已實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)[23]覆蓋的絕緣標(biāo)稱直徑為1.40～6.75mm，不但可以用在天線單元內(nèi)部取代實(shí)心PTFE絕緣同軸電纜，還可以滿足密集分布的5G基站或遠(yuǎn)端射頻頭的需要，即取代聚烯烴絕緣的RF纜，將MZM與天線單元RF端口連接起來(lái)。標(biāo)準(zhǔn)[23]提出了溫度相位穩(wěn)定性、彎曲相位穩(wěn)定性要求；規(guī)定電纜內(nèi)、外導(dǎo)體均為鍍銀銅材，不但可降低電纜阻抗性衰減，而且可避免電纜長(zhǎng)期使用過(guò)程中導(dǎo)體表面出現(xiàn)氧化斑點(diǎn)，有利于消除由電纜引起的無(wú)源交調(diào)（PIM）。

標(biāo)準(zhǔn)[23]中微孔PTFE絕緣電纜工作頻率暫時(shí)規(guī)定為100 MHz～18GHz，未來(lái)可按照WRC-19（將在2019年召開(kāi)的國(guó)際電聯(lián)世界無(wú)線電通信大會(huì))確定的頻譜規(guī)劃，將標(biāo)準(zhǔn)[23]中電纜最高使用頻率提高到65GHz乃至更高的毫米波頻率。多年實(shí)踐證明，微孔PTFE絕緣電纜完全有此技術(shù)潛力。美國(guó)高爾（W.L.Gore）公司很早就利用PTFE介質(zhì)損耗低、介電性能不隨溫度和頻率變化而改變的特點(diǎn)，制造以微孔PTFE帶繞包絕緣的系列穩(wěn)相同軸電纜，電纜外徑1.2～8.1mm，最高使用頻率18～65GHz。該公司還開(kāi)發(fā)了最高傳輸頻率為110GHz的微波電纜，主要用于測(cè)試。

以下先介紹微波電纜核心技術(shù)——微孔PTFE技術(shù)的發(fā)明過(guò)程和基本原理。

3.1 機(jī)械發(fā)泡的微孔PTFE

1958年，美國(guó)高爾公司創(chuàng)始人懷著擴(kuò)大PTFE應(yīng)用的夢(mèng)想，離開(kāi)杜邦而創(chuàng)立了高爾公司，起家產(chǎn)品即PTFE絕緣電纜，一時(shí)成為高性能線纜的代名詞。與1938年杜邦公司Roy Plunkett博士偶然發(fā)明PTFE一樣，膨化聚四氟乙烯（expanded PTFE，縮寫為ePTFE）的發(fā)明也頗有傳奇色彩。1968年，高爾公司為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)，決定開(kāi)發(fā)內(nèi)含空氣的PTFE帶材(薄膜)，初衷只是減少PTFE用量，提高產(chǎn)品成本競(jìng)爭(zhēng)能力。公司創(chuàng)始人的長(zhǎng)子Robert Gore博士發(fā)現(xiàn)似乎可先將PTFE棒材加熱，再通過(guò)拉伸得到內(nèi)含空氣的PTFE線（帶）材。但不論他如何改變加熱溫度，如何小心翼翼拉伸，PTFE棒材仍極易被拉斷，只有在極低的速度(低于5cm/ min)下方可連續(xù)拉長(zhǎng)，但得到的微孔PTFE線材的延伸率不過(guò)10%～20%，不具備工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值。1969年的一個(gè)晚上，他煩躁地將一根高溫（約300℃，低于PTFE樹脂327℃的結(jié)晶熔點(diǎn)）處理后的PTFE棒材猛然一拉，奇跡出現(xiàn)了，拉出的PTFE線材具有高強(qiáng)度和高孔隙（porosity），含有很多以纖維絲相連的結(jié)點(diǎn)，延伸率竟然高達(dá)1000%。真可謂“眾里尋他千百度，得來(lái)全不費(fèi)工夫”，ePTFE就此誕生。這種方法類似于通過(guò)攪拌將空氣帶入奶油，是不需發(fā)泡劑的機(jī)械發(fā)泡方法。

當(dāng)然，微孔PTFE帶材的生產(chǎn)工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會(huì)如此簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單歸納其工序流程如下：利用分散聚合的PTFE樹脂受到剪切后纖維化的特點(diǎn)，將潤(rùn)滑劑（如航空煤油）和表面活性劑（又稱助分散劑）加入分散型PTFE樹脂中，均勻混合后經(jīng)料坯模壓工序制備為預(yù)制棒，潤(rùn)滑劑可減小樹脂間和樹脂與設(shè)備（模具）間的摩擦，防止PTFE纖維斷裂。預(yù)制品經(jīng)過(guò)推壓和壓延工藝后熱烘除去潤(rùn)滑劑，得到PTFE基膜。經(jīng)過(guò)快速拉伸基膜，折疊、卷曲的PTFE分子鏈沿著拉力方向相對(duì)滑移，形成眾多細(xì)小的纖維，交織纏結(jié)成含大量孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而快速滑移的微細(xì)纖維與空氣強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生正負(fù)靜電荷，空氣得以立刻進(jìn)入孔隙，拉伸倍率越高，進(jìn)入空氣越多；然后在保持一定拉力條件下對(duì)PTFE膜進(jìn)行熱定形處理（溫度通常350～370℃）以防止薄膜收縮，并在膜表面產(chǎn)生皮層以鎖定孔隙中的空氣。拉伸分單向拉伸、雙向拉伸（縱向拉伸后再橫向拉伸），二者所得微孔膜的微觀結(jié)構(gòu)有很大不同。線纜用微孔PTFE膜為縱向拉伸，通過(guò)拉伸取向獲得較高的縱向拉伸強(qiáng)度，因而橫向（CD）拉伸強(qiáng)度極低。例如某材料廠家出售的適于同軸電纜、密度為0.5g/cm3、厚度分別為0.051mm、0.254mm的微孔PTFE帶材的CD強(qiáng)度分別為0.55MPa和1.03MPa。

高爾公司正是倚仗發(fā)明ePTFE而發(fā)展為世界知名公司，以至于ePTFE幾乎成為該公司的代名詞，其他公司更愿意用低密度或微孔（porous）PTFE的說(shuō)法來(lái)替代膨化聚四氟乙烯和ePTFE。該公司還用ePTFE帶材生產(chǎn)航空航天等特殊領(lǐng)域用漏泄電纜（使用頻率400MHz～6GHz，電纜標(biāo)稱外徑分6.5mm、8.1mm和11.7mm三種）以及高速數(shù)據(jù)傳輸對(duì)稱電纜，包括局域網(wǎng)用6A類電纜、USB3.1電纜、HDMI2.0電纜，導(dǎo)體規(guī)格以AWG24 和AWG26為主。

3.2 微孔PTFE帶材的技術(shù)指標(biāo)

生產(chǎn)全密度PTFE絕緣電纜時(shí)，以多層PTFE生料帶（密度1.5g/cm3）在導(dǎo)體上繞包，再經(jīng)燒結(jié)得到絕緣芯線。生料帶結(jié)晶度雖高（92%～98%），但拉伸強(qiáng)度有限，且耐磨性極差,生產(chǎn)和使用過(guò)程中表面容易受傷。燒結(jié)后PTFE密度達(dá)到2.15g/cm3，結(jié)晶度下降到50%～70%，耐磨性中等，強(qiáng)度有所提高，導(dǎo)熱率為0.2kcal/m·h℃，耐冷流性能較差。

ePTFE帶則不同，其密度為0.1～1.0g/cm3，孔隙率為25%～96%，導(dǎo)熱率小于0.1kcal/m·h℃，拉伸強(qiáng)度較高，且耐磨性和耐冷流動(dòng)性大為改善。使用ePTFE帶繞包得到的纜芯不再需要燒結(jié)，絕緣層介電常數(shù)和介質(zhì)損耗降低，因此電纜傳輸性能提高。

高爾公司曾多次提起專利侵權(quán)訴訟，限制其他廠家進(jìn)入ePTFE行業(yè)。由于該公司1976年4月獲批的高強(qiáng)度微孔PTFE 片材專利已經(jīng)到期，出售微孔PTFE帶材的廠家逐漸增加。在2015年IWCS展會(huì)上，美國(guó)DeWAL工業(yè)公司（DeWAL Industries, Inc）及Saint-Gobain高性能塑料公司(Saint-Gobain Performance Plastics)展出了微孔PTFE帶材，前者產(chǎn)品有DW253 M系列，后者有FLUOROWRAP E5和E7系列，均可用于生產(chǎn)最高使用溫度高達(dá)260℃的高端同軸電纜。表2列出了兩家公司的產(chǎn)品的規(guī)格：

表2 美國(guó)廠家微孔PTFE帶材規(guī)格

Saint-Gobain公司已有密度0.4g/cm3的PTFE帶材，孔隙率81%。與一般微孔PTFE帶相比較，該公司自稱縱向拉伸強(qiáng)度高出25%，并且更加均勻。

在此，對(duì)高頻電纜制造所用低密度PTFE帶材提出如下基本要求：

——帶材各處（縱向、橫向和厚度方向）表觀密度均勻。在掃描電鏡下觀察到沿帶材縱向的PTFE絲粗細(xì)均勻。

——可根據(jù)電纜設(shè)計(jì)所需的孔隙率而選擇不同的表觀密度，例如在0.5～1.3g/cm3間有多種規(guī)格可供選擇。表觀密度越低意味著帶材的孔隙率越大，因此介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切越小。微波電纜使用較多的有密度為0.55～0.75g/cm3規(guī)格的帶材。

——厚度均勻。該項(xiàng)指標(biāo)與密度均勻性一道，嚴(yán)重影響電纜的阻抗均勻性，也是國(guó)內(nèi)外微孔PTFE帶材質(zhì)量的主要差距所在。

——有不同規(guī)格厚度可供選擇。厚度增加有利于降低絕緣層繞包次數(shù)，但如果要求縱拉所得微孔膜較厚，則要求基材厚度較厚，加大相關(guān)工序工藝難度?？刹扇⒍鄬游⒖啄くB加的方式增加厚度。

——為實(shí)現(xiàn)絕緣層無(wú)縫繞包（無(wú)搭接及無(wú)間隙繞包）并獲得均勻的絕緣外徑，帶材寬度應(yīng)均勻。寬度可根據(jù)繞包直徑選擇。目前市場(chǎng)上已有的最小寬度為0.6mm，形如細(xì)絲，可滿足制造極細(xì)電子纜的需要。由于寬度和厚度有多種規(guī)格，使得電纜絕緣外徑的范圍很寬，電纜規(guī)格增多。

——縱向（又稱機(jī)器方向，縮寫為MD）拉伸強(qiáng)度足夠高，通常要求20MPa以上，以保證帶材在繞包過(guò)程中不被拉斷。由于拉伸強(qiáng)度不單與密度有關(guān)，更多受到在縱拉PTFE基膜以形成微孔過(guò)程中PTFE分子鏈取向的影響，即拉伸比越大，則孔隙率越大，密度越低，但分子鏈拉伸取向越嚴(yán)重，因此拉伸強(qiáng)度并不與密度成正比（或者說(shuō)與孔隙率成反比）。然而，帶材是否因張力過(guò)大而被拉薄，則與其彈性模量有關(guān)；而密度越小，彈性模量越低。

——縱向斷裂伸長(zhǎng)率宜大于100%（高出表2水平）?？v向收縮率也宜加以限定。

——規(guī)定介質(zhì)損耗角正切、介電常數(shù)和介電強(qiáng)度。

此外，要求帶材表面光滑、有足夠長(zhǎng)度、殘油率極低甚至為零。

我國(guó)有豐富的螢礦石（CaF2）資源，PTFE產(chǎn)能和用量均已躍居全球第一，微孔PTFE膜（帶材）價(jià)格有望持續(xù)降低，與國(guó)外技術(shù)差距不斷縮小，勢(shì)將為擴(kuò)大微孔PTFE絕緣微波電纜的應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件。

3.3 ePTFE帶材繞包和整體微孔推擠拉伸的比較

電纜微孔絕緣層可通過(guò)在導(dǎo)體上繞包ePTFE帶材獲得，還有經(jīng)推擠、拉伸獲得整體微孔絕緣層的一步法工藝，通常如下：將潤(rùn)滑劑與分散型PTFE樹脂粉末混合，坯壓制備為預(yù)制棒；將預(yù)制棒推擠出模，避免所形成的PTFE絕緣管在?？谑艿嚼?，經(jīng)過(guò)內(nèi)部溫度260℃左右的管式加熱爐，潤(rùn)滑劑揮發(fā)殆盡；緊接著在另一管式加熱爐中拉伸PTFE絕緣管，加熱溫度應(yīng)使絕緣管溫度低于PTFE結(jié)晶熔點(diǎn)、遠(yuǎn)高于潤(rùn)滑劑揮發(fā)溫度，牽引（拉伸）絕緣管的速度高于推擠速度（即電纜導(dǎo)體前進(jìn)速度，也是電纜收線速度），以此在絕緣管內(nèi)部形成微孔，加熱應(yīng)充分均勻，以保證拉出微孔且孔隙均勻；完成拉伸后，在保持輕微張力狀態(tài)下燒結(jié)纜芯以固化孔隙率，燒結(jié)爐內(nèi)部溫度高于PTFE結(jié)晶熔點(diǎn)，在370～430℃之間。根據(jù)拉伸前后PTFE質(zhì)量不變，立刻得出孔隙率等于牽引與推擠速度之差與牽引速度之比值。

上述推擠、拉伸形成整體微孔的原理與3.1節(jié)所述ePTFE發(fā)明原理一般無(wú)二，可惜尚無(wú)完備的數(shù)學(xué)模型將相關(guān)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。拉伸時(shí)PTFE溫度低于其結(jié)晶熔點(diǎn)，因此PTFE絕緣層所能達(dá)到的孔隙率必然與該狀態(tài)下PTFE的物料函數(shù)聯(lián)系。聚合程度高、因而相對(duì)分子量很大（通常要求200萬(wàn)以上）的分散型PTFE樹脂才可望獲得較高的孔隙率，這也正是當(dāng)前國(guó)產(chǎn)PTFE樹脂與美國(guó)、日本廠家產(chǎn)品的差距所在。用于生產(chǎn)ePTFE帶材和推擠用分散型PTFE樹脂的技術(shù)要求可參考文獻(xiàn)[23]。

與帶材繞包工藝比較，推擠拉伸整體微孔絕緣的主要差距在于微孔PTFE絕緣層偏心度較大和圓截面上密度不均勻，后者直接影響孔隙率的均勻性。上述不足，主要來(lái)自拉伸前的推擠工藝：由于PTFE絕緣管推擠模具精度有限和偏心調(diào)節(jié)困難，絕緣管偏心在所難免；在經(jīng)歷后續(xù)拉伸后，偏心度不但繼續(xù)保留，而且偏心還會(huì)造成電纜絕緣層圓截面上形成的孔隙率不均勻，這都會(huì)影響電纜阻抗均勻性。此外，由于推擠、拉伸膨化、潤(rùn)滑劑揮發(fā)和燒結(jié)連續(xù)完成，有時(shí)難以達(dá)到各道工藝的最佳生產(chǎn)速度，例如較厚絕緣層如燒結(jié)過(guò)快，則將產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，甚至開(kāi)裂。

繞包所用帶材的厚度和密度的均勻性不但在加工工藝中更易于控制，而且可以在分切縱向拉伸所得微孔膜、得到電纜繞包所需寬度的帶材后，只選用厚度和密度精度高的那部分帶材。因此，雖然微孔PTFE絕緣同軸電纜標(biāo)準(zhǔn)[23]沒(méi)有限定采用哪種工藝制備絕緣層，并且有文獻(xiàn)報(bào)道推擠拉伸所形成的整體微孔的電纜絕緣結(jié)構(gòu)更為均勻，但目前為止，在制造電壓駐波比和傳輸速比要求較高的高端精密穩(wěn)相同軸電纜時(shí)，仍以微孔PTFE帶材繞包為主。

當(dāng)然，推擠拉伸工藝還有改進(jìn)空間。例如有廠家將拉伸膨化過(guò)程改在烘除潤(rùn)滑劑前完成，優(yōu)點(diǎn)是：由于出模PTFE絕緣管含有潤(rùn)滑劑，所需拉伸力降低；只需借助加熱推擠殘留在PTFE管上的熱量即可完成拉伸，省去了一個(gè)加熱拉伸爐；PTFE絕緣層內(nèi)部形成微孔后再烘除潤(rùn)滑劑和燒結(jié)纜芯，潤(rùn)滑劑更容易揮發(fā)干凈，燒結(jié)效率提高。然而，在有潤(rùn)滑劑存在的條件下進(jìn)行拉伸，存在拉開(kāi)的PTFE分子鏈重新卷曲、孔隙閉合的趨勢(shì)，影響孔隙率和拉伸強(qiáng)度。消除上述潛在問(wèn)題，這項(xiàng)改進(jìn)才有價(jià)值。

與推擠、拉伸形成整體微孔的技術(shù)類似，提高PTFE微孔膜質(zhì)量的關(guān)鍵是提高PTFE基膜的厚度和密度的均勻性，這往往是一些新技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)。如以直接推壓成膜方式取代壓延工藝形成基膜，膜的幅寬可達(dá)500mm甚至更大，消除了壓延工藝中因壓力不均勻而造成基膜中間部分發(fā)硬、密度高于兩邊的現(xiàn)象——這一現(xiàn)象可造成微孔PTFE膜橫向孔隙率和強(qiáng)度的不均勻。

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Research & Developments in the Foaming Technologies for Telecommunication Cables (I)

The research & developments on the foamable cable compounds based on polyolefins, fluoropolymers and PVC are reviewed. The polyolefins include polyethylene and polypropylene, while the fluoropolymers cover the range from polytetrafluoroethylene to perfluorinated ethylene propylene copolymer (FEP), polyvinylidene fluoride and the blend of FEP and perfluoroalkoxy copolymer. These compounds are utilized respectively as the insulation materials and the sheathing materials for diverse kinds of telecommunication cables. The main characteristics of the relevant foaming systems are compared, and the empirical knowledge on the foaming of the high-performance cables such as the twin-ax cables and the RF cables are summarized. The technical trend of the transmission lines for the future 5G mobile networks are predicted from the material perspective. Furthermore, how to enhance the foamabilities of the cable compounds is also explored according to the unique viscoelastic behaviors of the cable compounds.

cable compounds； insulation; sheath； physically foaming； chemically foaming； mechanically foaming；5G mobile communications

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.05.005