擁有高儲能密度、低介電損耗以及耐高溫特性的高分子介電材料近年來成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。該類高性能介電高分子可作為聚合物薄膜電容器材料和柔性晶體管的介電層材料應(yīng)用在各類電力設(shè)備以及電子器件中。近日，凱斯西儲大學(xué)（CaseWesternReserveUniversity）的祝磊教授課題組制備了一類砜基側(cè)鏈修飾的聚苯醚薄膜材料，并系統(tǒng)地研究了其優(yōu)異的介電性能。

　　目前廣泛應(yīng)用于聚合物薄膜電容器的高分子介電材料是雙軸拉伸聚丙烯（BOPP）。該高分子材料雖然具有高擊穿強度以及低能量損耗等優(yōu)勢，但低介電常數(shù)（r=2.25）以及隨之帶來的低能量密度（Ue=5J/cm3）導(dǎo)致薄膜電容器的體積過大、成本難以降低等問題。另一方面，BOPP無法在較高溫度下（如85C以上）持續(xù)工作，壽命大幅度縮短。因此，此類聚合物薄膜電容器在工作時需要配備水冷系統(tǒng)，進一步增加了設(shè)備的體積和成本。降低成本以及提高聚合物薄膜電容器性能的關(guān)鍵在于提高介電高分子的介電常數(shù)，并降低在高溫條件下的能量損耗。

　　首先，祝磊教授課題組討論了提高介電常數(shù)的幾類途徑，指出最有效的方法是在高分子側(cè)鏈引入高偶極的官能團，利用該類官能團在高電場下的取向極化能力實現(xiàn)提升電容及介電常數(shù)的目的。砜基官能團具有偶極矩高（4.25D）、體積小、易取向、取向極化溫度低等特點，有利于提升介電常數(shù)并同時限制取向極化所引發(fā)的介電損耗。研究表明，隨著砜基側(cè)鏈接枝度的增加（0-52%），聚苯醚的介電常數(shù)得到飛躍性的提升（從3.5到8.6）。另一方面，為了避免結(jié)晶區(qū)偶極官能團反轉(zhuǎn)帶來的鐵電損耗，無定形玻璃態(tài)聚合物主鏈是實現(xiàn)低介電損耗的必要條件；另外，包含芳香烴的主鏈結(jié)構(gòu)可以保證高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而實現(xiàn)耐高溫低損耗的性能。聚苯醚的主鏈結(jié)構(gòu)可以同時滿足以上兩點設(shè)計要求，同時聚苯醚具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點。

　　砜基側(cè)鏈修飾的聚苯醚表現(xiàn)出卓越的介電性能，如高介電常數(shù)（6.2-8.6）、低介電損耗（tanδ<0.01）、高擊穿強度（大于800MV/m）、高能量密度（在擊穿電場之前達到20J/cm3以上，是BOPP的四倍）以及耐高溫特性（150C時放電效率約為90%）。該類新型的聚合物十分適用于聚合物薄膜電容器，其高能量密度以及低損耗的特性可有效幫助降低電容器的體積和成本，并進一步提高電容器的性能；也可廣泛應(yīng)用于有機半導(dǎo)體器件，如作為高電容、穩(wěn)定并耐高溫的有機柵極介電材料應(yīng)用于有機場效應(yīng)晶體管。此類器件性能方面的研究工作正在進行中。