| 1.2　關鍵材料與應用 |

材料科學與工程學科致力于發現和開發新材料，是物理和化學的交叉學科。例如，與原子結構相關的熱力學特性受材料物理性質的影響。工程應用中的材料一般分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料。現代材料科學由于對空間的探索而得到了飛速發展，其中包括金屬合金、二氧化硅和碳材料在內的多種材料被用于建造空間飛行器。材料工程對塑料、生物材料和半導體等的發展具有重要的影響。下面討論未來（2030年及以后）在下一代信息技術中發揮重要作用的新材料，按金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料進行介紹。

1．金屬材料

人類使用金屬材料的歷史十分悠久，其發展過程及其應用領域如圖1-3所示。自公元前5000年進入青銅時代開始，銅等金屬材料就逐步成為人類生活中使用的重要材料。下面從傳輸技術和終端技術兩方面論述金屬材料在下一代信息技術中的可能應用。

圖1-3　金屬材料的發展過程及其應用領域

傳輸技術是指通過不同信道構成的傳輸系統保證信息可靠傳輸的技術，是通信技術中的重要組成部分。其中，用于傳輸的天線和通信相關器件的材料是關鍵所在。天線是傳輸技術中的關鍵器件之一，金屬在天線這一核心應用中具有重要地位。傳統天線中使用最廣泛的是銅，但在6G的太赫茲頻段，銅面臨著電導率降低、傳輸損耗高等問題，需要使用新材料替代銅制造天線。納米碳材料是代替銅的理想天線材料之一。例如，石墨烯是一種由碳原子以sp[2]雜化軌道構成的二維材料，其極快的電子遷移率、優異的力學和熱學性能使其在光電器件、太赫茲天線、調制器和智能傳感器等器件中均得到應用。碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）也是制造太赫茲天線的合適材料，具有太赫茲輻射效率高和損耗低等特點。

6G網絡對功率的要求更高，前端需要加大載波頻率、通信帶寬和高線性度的信號功率，對可見光通信的射頻和功率器件的材料選擇提出了嚴格的要求。因此，新射頻器件半導體材料需要更為強大的電磁波吸收能力及優異的電學、光學和力學性能。功率器件中的半導體材料需求則更為廣泛，對此類半導體的研究是通信技術乃至工業技術發展的基石之一，后文將繼續討論。

終端技術在極大程度上影響6G的應用前景，金屬材料在終端技術中的電磁防護和可穿戴柔性器件中具有重要應用。隨著信息技術的快速發展，電磁輻射的危害也逐步顯現出來。電磁輻射不僅會帶來通信設備的信息安全問題，干擾電子設備的正常運行，還會危害人類的身體健康。電磁屏蔽是解決電磁輻射危害的主要方法，即利用電磁防護材料來阻隔或者減弱屏蔽區域與外界的電磁能量傳播。目前廣泛使用的電磁防護材料有環氧樹脂基高分子復合材料、金屬及其合金電磁屏蔽材料和泡沫金屬。

環氧樹脂基高分子復合材料是由環氧樹脂基體和其中添加的泡沫鎳、CNT、石墨烯、碳纖維等導電填料構成的，具有一定的電磁屏蔽效果。例如，CNT已在電磁防護領域得到應用，因其具有低密高強、耐高溫、耐化學腐蝕、抗疲勞、低熱膨脹系數等優點，是環氧樹脂基高分子復合材料中的主要導電填料之一。碳系填料的密度較小，適合在便攜式電子電器設備中應用。金屬材料是該類電磁防護材料導電的重要填料，金屬良導體（如銀、銅、鋁）與磁性金屬材料（如鐵、鈷、鎳）是常用的電磁屏蔽金屬填料。金屬良導體由于具有較高的電導率，廣泛用于屏蔽高低頻電磁場及靜電場。在金屬填料中，銀的抗氧化能力強、屏蔽效能好。銀基填充復合材料對低頻磁場幾乎無屏蔽作用，但對中高頻磁場有顯著的反射屏蔽作用。銅的成本較銀的低，但導電的穩定性差。而在磁性金屬填料方面，通常情況下，鐵磁性材料磁導率高但電導率小，不適于屏蔽高頻電磁場，多用于屏蔽低頻磁場（100 kHz以下）。此外，金屬材料在電磁防護的復合填料方面也有重要的應用。將二元化合物及二元以上的化合物填料按單元 / 多元碳系-單元 / 多元磁性金屬、單元 / 多元碳系-單元 / 多元金屬、單元 / 多元碳系-單元 / 多元金屬-單元 / 多元無機材料等方式復合可得到復合型填料。在復合型填料中，鍍金屬類導電填料（鍍鎳碳纖維、鍍鎳 / 銅碳纖維、鍍銀碳纖維等）不僅具有優異的導電性能，還能夠彌補純金屬填料導致的密度大等劣勢。

金屬及其合金電磁屏蔽材料是另一類電磁防護材料，常見的金屬及其合金電磁屏蔽材料包括鎂合金、鎳合金、鋁合金等。其中，鎂合金電磁屏蔽材料是近年來研究的熱點材料，具有密度低、比強度高、力學性能優良、電磁屏蔽性能優良和環境友好等優點。

除以上兩種電磁防護材料之外，泡沫金屬在電磁防護中也具有較好的應用前景。泡沫金屬是近年來開發的一類由相互導通的金屬骨架及內部孔洞構成的三維網狀結構材料，具有金屬材料良好的導電性或磁性，其內部存在多孔結構，可以使電磁波在其孔隙內部發生多次反射損耗，相較于二維金屬網具有更高的電磁波屏蔽能力，甚至達到波導窗的屏蔽效果。同時，由于泡沫金屬體積小、質量輕，因此適合于移動設備的屏蔽，在“萬物互聯”的6G時代將具有更廣泛的應用。

在6G時代，人體通信技術通過智能傳感器取得人體信息，進而通過各種可穿戴設備將每個人都變為通信網絡中的節點。例如，將高靈敏度的石墨烯織物黏附在塑料或醫用膠帶上即可組裝得到可穿戴柔性傳感器，具有超輕、靈敏度相對較高、可逆性高、易于制造、易于隨皮膚變形等性能。新型柔性靈敏材料可與6G網絡結合，在人體監測、醫學及機器人技術等領域發揮巨大作用，有望實現人類個性化需求的美好愿景。

2．陶瓷材料

陶瓷材料的發展歷程及其應用領域如圖1-4所示，其在下一代信息技術中將同樣發揮十分關鍵的作用。傳統陶瓷和工業陶瓷主要用于制造工藝品、日用品等，在通信領域應用得很少。隨后發展的先進陶瓷和半導體材料在通信技術發展過程中占據著重要的地位。第二、三代半導體（如GaAs、SiC、GaN等）可用于制作芯片中的功率器件、太赫茲頻率的放大器和功率器件以及光電器件等，其他陶瓷材料主要用于制作濾波器、天線等部件。

圖1-4　陶瓷材料的發展歷程及其應用領域

第二代、第三代半導體將在6G建設中發揮重要的作用。由于6G應用對通信頻率、功率和芯片運算能力的高要求，寬禁帶半導體材料逐漸變得重要。在太赫茲頻段和6G芯片等更高要求的應用場景中，第二代、第三代半導體由于具有更高的電子遷移率、更寬的帶隙，比單晶硅器件更有優勢。Ⅲ-Ⅴ族化合物中的主要半導體材料包括GaAs、InP、GaN。SiC也是重要的第三代半導體。在符合6G應用要求的半導體材料中，較早被研究的是GaAs、InP等。基于GaAs工藝的半導體器件主要有高電子遷移率晶體管（High-Electron-Mobility Transistor，HEMT）、改性高電子遷移率晶體管（Metamorphic High-Electron-Mobility Transistor，MHEMT）和異質結雙極性晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）等。目前，GaAs MHEMT的截止頻率已超過500 GHz，最大振蕩頻率超過1 THz。InP是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，是發展太赫茲頻段芯片的首選材料。InP具有高電子遷移率，但帶隙較小，因此可以用來進行太赫茲高頻、高增益、低噪聲的小信號放大器設計。GaN和SiC的帶隙更大、臨界場強明顯更高，是理想的新一代射頻功率器件材料和可見光通信材料。目前，與6G有關的GaN基的半導體器件包括微波器件、可見光通信和功率器件等。而在高壓、超高壓器件中，SiC基器件具有更大的優勢。

毫米波介電陶瓷是6G中可能用到的陶瓷材料之一。在6G應用中，高頻段毫米波是提升頻譜資源利用率，實現低時延、高傳輸速率的最佳途徑。毫米波的普及需要濾波器、諧振器等元器件的同步發展。雖然傳統的聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）濾波器和薄膜體聲波諧振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）無法用于毫米波通信中，但是利用介質陶瓷材料的壓電性，毫米波介電陶瓷可被廣泛應用于通信領域中諧振器、濾波器等元器件的制備。毫米波介電陶瓷應具有較小的介電常數（<15）、極高的品質因子、極小的諧振頻率溫度系數等物理性能。隨著毫米波介電陶瓷的介電常數的增大，制成的元器件體積減小，延遲時間增大。對于高頻段毫米波，無須考慮元器件微型化，減少延遲時間是選擇低介電常數材料的主要因素。高品質因子和更小的諧振頻率溫度系數使器件具有更好的電磁效率和溫度穩定性。

符合6G應用需求的介電陶瓷候選材料有硅酸鹽陶瓷、剛玉基陶瓷等。由于鐵電陶瓷材料具有自發極化特性，其陽離子的規模運動會造成較大的介電損耗，因此鐵電陶瓷材料不適合制作毫米波器件，故近年來的相關研究集中于硅酸鹽陶瓷。硅酸鹽陶瓷結構中含有大量的硅氧四面體，共價性強，因此具有低介電常數。硅酸鹽陶瓷成分的不同帶來了多樣的性能特點。影響毫米波介電陶瓷性能的主要因素包括陽離子、孔隙率、濕度、暗核等。此外，晶體有序性、晶粒尺寸、內應力和晶粒取向也會對毫米波介電陶瓷的性能產生影響。

區別于一般意義上的半導體材料，半導體陶瓷是一類具有半導體特性的無機非金屬多晶材料，也是制造傳感器和敏感元器件的重要材料，在電子通信領域的應用較為廣泛。常見的半導體陶瓷材料有鈦酸鋇、鈦酸銀、鈦酸鋇鍶鉛固溶體、氧化鋅、氧化錫等，可用于制備熱敏、濕敏、氣敏、壓敏及光敏電阻器等多種元器件。熱敏、壓敏電阻器是由半導體陶瓷制成的元器件中較為重要的兩類。例如，正溫度系數熱敏電阻器在電子通信領域占有非常重要的地位。氧化鋅壓敏半導體陶瓷是應用最廣、性能最好的壓敏電阻器材料，可用于制造頻率達數十億赫茲的發射天線。

傳統的光電功能材料是晶體或玻璃，但普遍面臨著光電性能與制備難度、成本無法兼顧的問題。近年來，兼具這兩點的透明光電陶瓷作為新型光電材料受到了廣泛關注，是6G應用中可能用到的陶瓷材料之一。透明光電陶瓷具有成本低、尺寸大和可用作異型材料的優點，其稀土摻雜量遠高于單晶體，用作激光材料時可以增大激光輸出功率。近年來，對透明光電陶瓷的研究主要集中于鋯鈦酸鉛鑭（Lanthanum-modified Lead Zirconate Titanate，PLZT）陶瓷。PLZT陶瓷是一種ABO3鈣鈦礦結構的透明陶瓷，具有很高的電光系數，同時由于稀土離子的摻雜而具有優良的發光性能，可用于各類光電存儲器和顯示設備。但是其顯著的場誘導效應、偏振依賴散射損失以及高滯后現象也極大地限制了其應用。

光電探測器和光發射器是可見光通信中的關鍵部件。光電探測器具有寬光譜、高靈敏度、制備成本低等特性。在該領域，有關鈣鈦礦材料的研究最為集中，未來可能出現光電性能更優異的半導體材料。以鈣鈦礦材料為例，其具有高外量子效率、寬吸收光譜、高吸收系數、可調的光學帶隙、低缺陷密度、低電荷載體復合率、大電荷載體擴散長度和長壽命，易于用溶液法制備，成本低。近年來，鈣鈦礦材料光電探測器性能優異，研究進展迅速，此類新材料對可見光通信技術可靠性的支持是決定性的。現有光發射器主要包括激光二極管（Laser Diode，LD）、超輻射發光二極管（Super Luminescent Diode，SLD）和發光二極管（Light Emission Diode，LED）等。

6G通信技術促使元器件向小型化、高集成密度、高傳輸速率的方向發展，同時對封裝材料的性能提出更高的要求，因此滿足集成化和小型化要求的低溫共燒（Low Temperature Co-fired，LTC）技術越來越得到重視。LTC陶瓷具有優異的力學、電學及熱學特性，可廣泛應用于電子通信領域內濾波器、天線、諧振器等元器件的制造。目前，LTC陶瓷材料主要包括3類：玻璃 / 陶瓷復合體系、微晶玻璃體系和非晶玻璃體系。其中玻璃 / 陶瓷復合體系、微晶玻璃體系是研究重點。

除上述幾種陶瓷材料以外，高溫超導陶瓷也是6G中將會用到的一類陶瓷材料。與常規的超導材料相比，高溫超導陶瓷的冷卻溫度更高、生產成本更低，可用于制造濾波器、天線等元器件。

3．高分子材料

高分子材料的發展過程及其應用領域如圖1-5所示。橡膠、尼龍、有機玻璃等高分子材料在民用領域應用廣泛，但相較于金屬材料、陶瓷材料和復合材料，6G通信技術中用到的高分子材料種類較少。導電高分子材料（Conducting Polymer Materials，CPM）是6G應用中備受矚目的一類高分子材料。

圖1-5　高分子材料的發展過程及其應用領域

CPM在電磁防護領域具有“誘人”的前景。與傳統的金屬類電磁屏蔽材料相比，CPM不僅具有同樣優異的電磁屏蔽性能，且具有質量輕、耐腐蝕、電導率易于調節、成本低、加工方便等優點。聚苯胺是一類本征型導電高分子材料，同時也是在電磁屏蔽領域研究最多的導電聚合物之一。與其他CPM相比，聚苯胺的制備簡便、成本較低，且具有良好的穩定性、高電導率和優異的電磁性能。同時，由于聚苯胺柔軟、易加工、密度低，均勻沉積在織物上可以得到具有良好屏蔽性能的電磁輻射防護織物，且能夠保持織物原有的服飾性能。另一類CPM是通過向高分子基體中加入導電填料而成的復合型導電高分子材料（如前面介紹的金屬填料復合材料）。與本征型導電高分子材料相比，復合型導電高分子材料成本更低、制備更簡便，應用范圍也更廣。

4．復合材料

復合材料的性能一般比其組成材料的性能更為優越。由圖1-6所示的復合材料發展過程及其應用領域可以看出，早期的紙張、混凝土等復合材料多用于建筑業等領域，而后來興起的先進復合材料、石墨烯復合材料是信息時代的重要材料。在未來的6G建設中，復合材料可以用作高速低損耗的印制電路板（Printed-Circuit Board，PCB）基材、各種應用場景的殼體材料、智能傳感器和可穿戴設備中的材料及電磁防護材料等。

圖1-6　復合材料的發展過程及其應用領域

PCB廣泛應用于電子產品中，樹脂基復合材料是PCB基材的最佳選擇。由于高速電路和高頻信號是提高通信效率的重要手段，為適應6G通信中更高的工作頻率、高速低時延的傳輸要求并解決由此帶來的信號完整性問題，設備的數字電路和微波射頻電路等的介電性能都需要相應地提高。介電常數和介質損耗應進一步降低，并繼續保持傳統PCB基材的高耐熱和高可靠性等優點。目前通信領域中應用的PCB基材主要是樹脂基玻纖布增強材料，并覆以銅箔。PCB基材的介電性能主要由樹脂、填料、玻纖布、銅箔和基材的應用環境等決定，可添加多功能樹脂，通過提高樹脂基體的交聯密度改善熱穩定性，通過改變樹脂、填料和玻纖的成分及含量調整PCB基材的介電特性。目前該領域的研究主要集中于工業界，如松下、伊索拉、羅杰斯等企業。可以預測，在巨大的商業利益推動下，未來需研制出介電性能更優的PCB基材以支撐6G網絡建設。

6G網絡建設包括“空-天-地-海”一體化通信建設，基站、衛星、移動終端等各類通信設備需要適用于各種復雜應用場景的殼體材料。例如，實現水下無線6G通信的設備殼體需要既滿足耐低溫、耐沖擊、耐蝕和防水等需求，又要有良好的電磁波穿透特性。布設于極端環境的室外天線罩既需要具有經受外部惡劣環境的耐候性，又得不影響天線的信號接收和輸出功能。由此可見，殼體材料的應用場景十分復雜且靈活。與其他傳統材料相比，復合材料具有可設計性、多功能性和發展性等特點，是滿足上述需求的最佳選擇。目前，先進樹脂基復合材料具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、易整體成型等優點，可通過對基體樹脂、纖維增強材料及成形工藝的調整設計出所需的性能。可以預見，樹脂基復合材料將在實現6G廣域連接過程中起到關鍵的作用。

前面已討論過電磁防護材料的重要性，在復合材料中，環氧樹脂基復合材料是電磁防護材料中重要的一類。環氧樹脂基復合材料即在環氧樹脂基體中添加導電填料獲得具有屏蔽效果的材料。目前，環氧樹脂基高分子復合材料的導電填料主要有碳材料、金屬材料和鍍金屬類材料這3類。金屬基復合材料在通信領域的應用主要集中在熱管理組件上，已有較成熟的解決方案，在新一代通信材料開發中不會成為研究重點。

此外，智能可穿戴設備和傳感器將是6G相關研究中的熱點。從近期的研究來看，納米復合材料在6G網絡互聯環節中將起到非常重要的作用。復合材料能夠彌補單一材料的缺陷，發揮其組成材料的優勢，在6G建設的新材料競爭中占據關鍵地位。