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高温聚合物被开发！耐压可达1000MV/m！

2021.6.03

　　聚合物材料具有许多优异的性能，例如重量轻、柔韧、耐腐蚀、易加工和成本低等，在我们的生活中无处不在，对社会的发展发挥了重要的作用。近年来，随着5G通讯和电动汽车的发展，聚合物材料在电子设备和电子系统中的应用需求不断激增。而聚合物材料在室温以及高温下的耐电压性能（介电击穿强度）对这些应用至关重要。比如，击穿强度决定了电网中用于高压电力传输的聚合物绝缘材料的可靠性和耐用性。击穿强度决定了聚合物电容器的能量密度 (Ue)。运输、微电子和航空航天等恶劣环境服役下的电子系统，对聚合物在很宽温度范围内（>150℃）击穿强度的性能需求不断提升。

　　在理论上，经典模型表明聚合物介电材料的固有击穿强度高于 1000 MV/m，因为聚合物介电材料具有大的能带隙，而且移动电荷的平均自由程很小。然而，广泛使用的高温聚合物材料击穿场强的实际值，例如，聚酰亚胺(PI)和聚（醚酰亚胺）(PEI)等，都远低于理论值。通常，在聚合物材料的成型过程中，聚合物分子链的堆积总是不完美的，分子长链会发生卷曲、缠结等，因此在聚合物材料的无定形区域引入许多缺陷，例如自由体积和结构无序。这些缺陷区域的平均自由程大于聚合物致密结构中的平均自由程，在外加电场的加速下，缺陷区域的自由电荷会获得更高的能量，最终导致在较低的电场下引发击穿。

　　分子链间的静电相互作用广泛的存在于所有的聚合物中。苯环是大部分高温聚合物分子结构中的关键组成部分，利用不同聚合物分子结构中苯基之间的强相互作用可以实现聚合物链堆积行为的调控。在不同聚合物的分子结构中，苯基中的离域电子可能带有部分正电荷或部分负电荷。因此，将合适匹配的两种高温聚合物进行共混，利用两种聚合物分子链间强的静电相互作用，可以调控分子链的构象，诱导分子链致密堆积，降低成型过程中的缺陷位点，最终提高击穿场强。

　　近期，宾夕法尼亚州立大学章启明教授实验室展示了这种通过链间强静电相互作用实现的共混策略，可以有效地应用于几种广泛使用的高温聚合物介电薄膜，包括聚酰亚胺（PI）和聚醚酰亚胺（PEI）（以及聚醚砜，PSU)，提高了薄膜分子链的堆积密度，降低了成型过程中引入的缺陷位点，从而显著提高它们在室温以及高温（200℃）下的击穿强度。

　　分子链堆积行为

　　如图所示，PI具有两个带强正电荷的苯基，而PEI具有三个相对带负电荷的苯基。将这两种聚合物共混，分子链间的强静电相互作用，导致分子链构象最大程度呈伸直链状态，链堆积形态呈现致密堆积，密度增加近10%，从而减少了分子链的自由体积和空隙。因此，PI/PEI共混物在很宽的温度范围内表现出显着增强的击穿强度，在室温下的击穿强度高达1,000 MV/m，在 200 ℃时，可以保持550 MV/m的创纪录高位。

　　PI/PEI共混薄膜的介电性能

　　该论文提出的利用分子间强静电相互作用进行共混的可以低成本批量制备的策略，不仅为提高聚合物电介质的击穿强度提供了新的分子工程路线，而且还可以应用于聚合物材料的诸多其它领域，比如提高应用于包装的阻隔聚合物的阻隔性能、提高应用于导热材料或热界面材料中聚合物的本征热导率。

　　Qiyan Zhang, Xin Chen和Bing Zhang是该论文的共同第一作者，Q. M. Zhang是该论文的主要通讯作者，论文的其它作者有Tian Zhang, Wengchang Lu, Zhe Chen, Ziyu Liu, Seong H. Kim, Brian Donovan, Ronald J. Warzoha, Enrique D. Gomez, J. Bernholc.

高温聚合物共混

高分子科学前沿

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