计算高分子材料的介电常数及介电损耗的方法

技术领域

本发明涉及一种高分子材料的计算方法，尤其涉及一种计算高分子材料的介电常数(Dielectric Constant；Dk)及介电损耗(Dielectric Loss；Df)的方法。

背景技术

随着无线通信的发展，无线射频辨别技术在2GHz以下的波段已趋于饱和。因此，在未来的技术上，可能需往更高频的波段迈进。一般而言，采用毫米波频段(如：30GHz-300GHz)已是本领域的共识。因此无线通信传输上，对应的工作频率及/或传输速度的提升，常需使用具有低介电常数和低介电损耗的材料来改善讯号延迟及/或降低讯号传输损失。

一般对于高分子的物理性质进行了解，常先要经由合成或其他适宜的方式先获的该高分子。然后，再对该高分子进行对应的物理性质量测。

现行的实验上通常是采用共振腔量测材料的介电常数或介电损耗。然而，一般经由共振腔量测常针对的波段为2GHz、5GHz或10GHz。并且，这样的量测常需提供对应的高分子/高分子材料。因此，就应用上长需花费较长的时间准备及/或较高的准备成本。

发明内容

本发明是针对一种高分子材料的计算方法，其可用于计算高分子材料的介电常数及介电损耗。

根据本发明的实施例，计算高分子材料的介电常数及介电损耗的方法包括以下步骤：提供具有优化分子结构的高分子；分析具有优化分子结构的高分子的偶极矩自相关函数；经由松弛函数拟合具有优化分子结构的高分子的偶极矩自相关函数，以获得对应的拟合函数；计算具有优化分子结构的高分子的静介电常数；以及经由拟合函数及静介电常数获得复介电常数频谱，以计算具有优化分子结构的高分子的对应介电常数及介电损耗。

根据本发明的一实施例，高分子为具有卤素官能基或氰酸脂官能基。

根据本发明的一实施例，高分子为分子量介于2500至3500的聚合物。

根据本发明的一实施例，高分子为具有卤素官能基或氰酸脂官能基，且分子量介于2500至3500的聚合物。

根据本发明的一实施例，松弛函数为KWW松弛函数。

根据本发明的一实施例，前述的方法为计算高分子材料于1GHz至500GHz电磁波段的对应介电常数及介电损耗。

根据本发明的一实施例，前述的方法还包括以下步骤：提供具有初步猜测分子结构的高分子；以及经由具有初步猜测分子结构的高分子进行几何结构优化，以获得具有优化分子结构的高分子。

根据本发明的一实施例，前述的方法至少经由计算器执行。计算器包括输入单元、输出单元以及处理单元。输入单元适于经由其输入具有初步猜测分子结构的高分子。输出单元适于呈现具有优化分子结构的高分子的对应介电常数及介电损耗。处理单元讯号连接于输入单元及输出单元。

基于上述，经由本发明的方法，可以在合成对应的高分子/高分子材料之前先对该高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗进行计算及/或估算。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种适于计算高分子材料的介电常数及介电损耗的计算器的示意图。

图2是依照本发明的一实施例的一种计算高分子材料的介电常数及介电损耗的方法的部分流程示意图。

附图标记说明

100：计算器；

110：处理单元；

120：输入单元；

130：输出单元；

140：储存单元；

S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70：步骤。

具体实施方式

本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，除非内容清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”可以在包括多数个的形式，即，包括“至少一个”。“或”表示“和/或”、“及/或”或“且/或”。如本文所使用的，术语“和/或”、“及/或”或“且/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。

请参照图1，图1为示例性地说明一种适于计算分子/高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗的计算器。

请参照图1，计算器100可以包含对应的硬件或软件。以硬件为例，计算器100可以包括输入单元120、输出单元130、处理单元110以及储存单元140。输入单元120、输出单元130、处理单元110及储存单元140中的至少两者之间可以经由讯号线而以有线讯号传输(wired signal transmission)的方式讯号连接，但本发明不限于此。在一实施例中，输入单元120、输出单元130、处理单元110及储存单元140中的至少两者之间可以经由无线讯号传输(wireless signal transmission)的方式讯号连接。换句话说，本发明中所提到的讯号连接可以泛指有线讯号传输或无线讯号传输的连接方式。另外，本发明并未限定所有的讯号连接方式需为相同或不同。

在本实施例中，输入单元120可以包括鼠标、键盘、触控面板及/或适于经由图形用户接口(Graphical User Interface；GUI)进行数据/数据输入的装置，但本发明不限于此。在一实施例中，输入单元120可以包括虚拟实体的输入单元120。举例而言，输入单元120可以包括讯号接收组件(如：通讯芯片、通讯天线及/或通讯端口)，而可以经由遥控(remotecontrol)的方式将参数或命令经由输入单元120传送至控制单元。

在本实施例中，输出单元130可以包括屏幕、打印机及/或适于呈现图形用户接口的装置，但本发明不限于此。在一实施例中，输出单元130可以包括虚拟实体的输出单元130。举例而言，输出单元130可以包括讯号传送组件(如：通讯芯片、通讯天线及/或通讯端口)，而可以将对应的参数或数据从输出单元130直接地或间接地传送至使用者或操作者，以使前述的使用者或操作者可以获知对应的参数或数据。

在本实施例中，储存单元140可以包括可储存相关数据的内存、硬盘、磁盘阵列、云端系统及/或其他可暂时性地或永久性地储存数据的电子组件或装置，但本发明不限于此。在一实施例中，前述的数据可以直接地或间接地被处理单元110进行数据处理及/或数据运算。

在本实施例中，处理单元110可以包括中央处理单元(Central Processing Unit；CPU)、图形处理单原(Graphics Processing Unit；GPU)、张量处理单元(TensorProcessing Unit；TPU)及/或神经网络处理器(Neural-network Processing Unit；NPU)但本发明不限于此。处理单元110可以依据经由输出单元130所输入的指令进行对应的运算，并将运算中的结果储存至储存单元140及/或经由输出单元130呈现至用户或操作者。

在本实施例中，软件可以包括对应的商用软件及/或用户/操作者依据其需求而加以编译(compiled)/编码(coded)的软件，但本发明不限于此。商用软件例如包括对应的操作系统(Operating system)及/或适于进行分子计算(molecular calculation)的计算化学软件(computational chemistry software)，但本发明不限于此。前述的计算化学软件可以包括通用原子分子电子结构系统(General Atomic and Molecular ElectronicStructure System；GAMESS)、Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics(CHARMm)、Materials Studio或其他适宜的软件，但本发明不限于此。

请参照图2，本发明的一实施例的一种计算分子/高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗的方法可以示例性地说明如下。

步骤S10：建立具有对应的初步猜测分子结构(initial guess moleculargeometry)的分子/高分子。前述的初步猜测分子结构可以是以卡氏坐标系(cartesiancoordinate system)或Z-矩阵(z-matrix)的方式呈现，但本发明不限于此。前述的初步猜测分子结构可以经由输出单元(如：前述的输出单元130)输入至计算器(如：前述的计算器100)后，可以经由处理单元(如：前述的处理单元110)进行适应性地计算。初步猜测分子结构的建立方式应可为计算化学领域中的习知技术，故于此不加以赘述。举例而言，一分子/高分子的对应初步猜测分子结构可以经由Materials Studio软件内的Visualizer模块建立。

步骤S20：提供具有优化分子结构的分子/高分子。具有优化分子结构的分子/高分子其对应的势能(potential energy)可以位于势能面(potential energy surface)上的局部低点(local minimum)。分子/高分子的结构优化计算(geometry optimizationcalculation)可以依据后续进行的分子/高分子计算性质而加以调整，于本发明并不加以限定。以对分子/高分子聚合物的电性为例，可以经由前述建立的初步猜测分子结构，利用Materials Studio软件内的Amorphous Cell模块建立对应的晶胞模型。然后，利用Materials Studio软件内的Forcite模块对前述的模型进行能量优化、高温退火及/或动力学平衡，以获得该分子/高分子的优化分子结构。

步骤S30：分析具有优化分子结构的该分子/高分子的偶极矩自相关函数(dipolemoment autocorrelation function；DACF)。分析的方式可以依据计算器的计算效能及/或对应的软件而加以调整，于本发明并不加以限定。举例而言，可以利用Materials Studio软件内的Forcite模块分析具有优化分子结构的该分子/高分子的偶极矩自相关函数。

步骤S40：经由松弛函数(relaxation function)拟合具有优化分子结构的该分子/高分子的偶极矩自相关函数，以获得对应的拟合函数(fitting function)。在一实施例中，所使用的松弛函数可以包括Kohlrausch-Williams-Watts松弛函数(Kohlrausch-Williams-Watts relaxation function；KWW relaxation function)，但本发明不限于此。

在一实施例中，前述的松弛函数的一种形式可以由以下[方程式1]的方式表示。

[方程式1]：

其中在[方程式1]中，A及B分别为对应的拟合参数(fitting parameter)，t为时间，τ

步骤S50：计算具有优化分子结构的该分子/高分子的静介电常数(staticdielectric constant)。一般而言，一分子/高分子的总偶极矩(total dipole moment)与对应的静介电常数之间的关系可以由以下[方程式2]的方式表示。

[方程式2]：

其中在[方程式2]中，ε

并且，偶极矩自相关函数可以为一极化衰退函数，其可以由以下[方程式3]的方式表示。

[方程式3]：

其中在[方程式3]中，Ф(t)为偶极矩自相关函数，且M(t)为于时间为t时的对应偶极矩。

在一实施例中，具有优化分子结构的该分子/高分子的对应静介电常数及/或偶极矩自相关函数可以经由一般的分子动力学仿真计算软件所获得。举例而言，可以利用Materials Studio软件内的Forcite模块获得具有一结构的一分子/高分子的对应偶极矩自相关函数。

步骤S60：经由拟合函数及静介电常数获得复介电常数频谱(complexpermittivity spectrum)。一般而言，依据介电弛豫理论(dielectric relaxationtheory)，介电质的复介电常数的迭加关系可以由以下[方程式4]的方式表示。

[方程式4]：

其中在[方程式4]中，ε

步骤S70：经由复介电常数频谱计算具有优化分子结构的该分子/高分子的对应介电常数及介电损耗。具体而言，可以将具有优化分子结构的该分子/高分子的对应静介电常数(如：对应于[方程式2]的结果)及/或偶极矩自相关函数(如：对应于[方程式3]的结果)带入经由拟合函数及静介电常数所获得的复介电常数频谱关系式(如：对应于[方程式4])中。如此一来，可以推得具有优化分子结构的该分子/高分子于对应频率范围内的对应介电常数值及对应介电损耗值。具体而言，在[方程式4]中的复数函数(Complex function)(即，exp(-iωt))中，实部值(real part value)可以对应于介电常数值(DielectricConstant；Dk)，而虚部值(imaginary part value)除实部值(即，虚部值/实部值)可以对应于介质损耗值(Dielectric Loss；Df)。

上述的理论部分可以参考下列文献：Chemical Reviews,1972,Vol.472,No.1p55-69及/或J.Chem.Phys.,117,10350(2002)。

在一实施例中，经由上述的方式并以KWW松弛函数进行计算，可以对具有卤素官能基或氰酸脂官能基的分子/高分子在1GHz至500GHz电磁波段范围进行计算后，可以得到较佳(如：较为接近实验值)的介电常数及介电损耗。

在一实施例中，经由上述的方式并以KWW松弛函数进行计算，可以对分子量介于2500至3500的聚合物分子/高分子在1GHz至500GHz电磁波段范围进行计算后，可以得到较佳(如：较为接近实验值)的介电常数及介电损耗。

在一实施例中，经由上述的方式所获得的结果(如：对应的介电常数及/或介电损耗)可以经由输出单元(如：前述的输出单元130)呈现。

综上所述，经由本发明的方法，可以针对分子/高分子的介电常数及介电损耗进行计算及/或估算。如此一来，在合成对应的分子/高分子之前，可以经由本发明的方法预先估算该分子/高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗。因此，可以提升生产或合成的效率。

[实例]

以下表示的实例用于对于本发明作具体地说明，而本发明根本不受到下述实例限定。

在以下的实例中，高分子A为分子量约为2500至3500的含氟聚合物(如：铁氟龙)。高分子A的化学式可以如以下[化学式1]所示。

[化学式1]

在[化学式1]中，n可以为大于或等于25，且小于或等于34的整数。在实际的应用上，铁氟龙聚合物可能会因为制造过程的关系(如：反应物的纯度、反应环境的纯度或其他可能影响产物纯度的关系，但不限)，及/或使用过程的关系(如：与其他物质的接触、刮、磨、切或其他合理的使用方式下，但不限)而会使铁氟龙聚合物可能有少部分的氟原子为氢原子、氘原子或其他可能的原子(如：氯原子，但不限)所取代。而上述少部分的取代在不影响或甚少影响铁氟龙聚合物的使用、物理性质及/或化学性质，仍可合理地且/或均等地被视为铁氟龙聚合物。

在以下的实例中，高分子B为分子量约为2500至3500的含氰酸脂聚合物。高分子B的化学式可以如以下[化学式2]所示。

[化学式2]

在[化学式2]中，m可以为大于或等于11，且小于或等于22的整数。在[化学式2]中，R

[实例1]

在[实例1]中，为经由上述的方式计算分子/高分子的介电常数及介电损耗，差别在于：使用不同于KWW松弛函数的松弛函数D及松弛函数E。松弛函数D可以由以下[方程式5]的方式表示，其可为一单指数衰减函数(simple exponential decay function)。松弛函数E可以由以下[方程式6]的方式表示，其可为一双指数衰减函数(double exponentialdecay function)。

[方程式5]

其中在[方程式5]中，A

[方程式6]

其中在[方程式6]中，A

并且，[实例1]的计算结果与实验值的比较列于以下[表1]。其中，在[表1]所列的结果中，各个松弛函数的对应参数/松弛时间均已优化，而得以最接近对应的实验值。

[表1]

如[表1]所示，针对分子量介于2500至3500，且具有卤素官能基的聚合物(如：高分子A)或具有氰酸脂官能基的聚合物(如：高分子B)，使用KWW松弛函数进行拟合可以具有较佳的计算结果。

[实例2]

在[实例2]中，为经由上述的方式计算分子/高分子的介电常数及介电损耗，且使用KWW松弛函数进行拟合，差别在于：将KWW松弛函数(如：前述的[方程式1])中的参数(如：前述的[方程式1]中的参数A及参数B)及松弛时间(如：前述的[方程式1]中的τ

[表2]

[表3]

如[表2]及[表3]所示，针对分子量介于2500至3500，且具有卤素官能基的聚合物(如：高分子A)或具有氰酸脂官能基的聚合物(如：高分子B)，使用KWW松弛函数进行拟合时，较佳的参数范围/松弛时间为A：0.5-1.0、B：0.0-1.0及τ

如以上[实例]所示，经由本发明的方法，本发明的计算分子/高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗的方法，所计算及/或估算出的分子/高分子的介电常数及介电损耗可以接近对应的实验值。较佳地，本发明的方法可以适用于为具有卤素官能基或氰酸脂官能基的分子/高分子、分子量介于2500至3500的聚合物分子及/或对应于1GHz至500GHz电磁波段下该分子的介电常数及介电损耗。

[产业利用性]

本发明的方法可以在合成对应的分子/高分子之前，先对该分子/高分子/高分子材料的介电常数及介电损耗进行计算及/或估算。因此，可以提升生产或合成的效率。另外，经由本发明的方法，可以针对一材料或一分子/高分子/高分子材料是否可适用于高频(如：1GHz至500GHz电磁波段)的无线通信传输进行预先评估。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。