高溫聚合物被開發！耐壓可達1000MV／m！

　　聚合物材料具有許多優異的性能，例如重量輕、柔韌、耐腐蝕、易加工和成本低等，在我們的生活中無處不在，對社會的發展發揮了重要的作用。近年來，隨著5G通訊和電動汽車的發展，聚合物材料在電子設備和電子系統中的應用需求不斷激增。而聚合物材料在室溫以及高溫下的耐電壓性能（介電擊穿強度）對這些應用至關重要。比如，擊穿強度決定了電網中用于高壓電力傳輸的聚合物絕緣材料的可靠性和耐用性。擊穿強度決定了聚合物電容器的能量密度 (Ue)。運輸、微電子和航空航天等惡劣環境服役下的電子系統，對聚合物在很寬溫度范圍內（>150℃）擊穿強度的性能需求不斷提升。

　　在理論上，經典模型表明聚合物介電材料的固有擊穿強度高于 1000 MV/m，因為聚合物介電材料具有大的能帶隙，而且移動電荷的平均自由程很小。然而，廣泛使用的高溫聚合物材料擊穿場強的實際值，例如，聚酰亞胺(PI)和聚（醚酰亞胺）(PEI)等，都遠低于理論值。通常，在聚合物材料的成型過程中，聚合物分子鏈的堆積總是不完美的，分子長鏈會發生卷曲、纏結等，因此在聚合物材料的無定形區域引入許多缺陷，例如自由體積和結構無序。這些缺陷區域的平均自由程大于聚合物致密結構中的平均自由程，在外加電場的加速下，缺陷區域的自由電荷會獲得更高的能量，最終導致在較低的電場下引發擊穿。

　　分子鏈間的靜電相互作用廣泛的存在于所有的聚合物中。苯環是大部分高溫聚合物分子結構中的關鍵組成部分，利用不同聚合物分子結構中苯基之間的強相互作用可以實現聚合物鏈堆積行為的調控。在不同聚合物的分子結構中，苯基中的離域電子可能帶有部分正電荷或部分負電荷。因此，將合適匹配的兩種高溫聚合物進行共混，利用兩種聚合物分子鏈間強的靜電相互作用，可以調控分子鏈的構象，誘導分子鏈致密堆積，降低成型過程中的缺陷位點，最終提高擊穿場強。

　　近期，賓夕法尼亞州立大學章啟明教授實驗室展示了這種通過鏈間強靜電相互作用實現的共混策略，可以有效地應用于幾種廣泛使用的高溫聚合物介電薄膜，包括聚酰亞胺（PI）和聚醚酰亞胺（PEI）（以及聚醚砜，PSU)，提高了薄膜分子鏈的堆積密度，降低了成型過程中引入的缺陷位點，從而顯著提高它們在室溫以及高溫（200℃）下的擊穿強度。

　　分子鏈堆積行為

　　如圖所示，PI具有兩個帶強正電荷的苯基，而PEI具有三個相對帶負電荷的苯基。將這兩種聚合物共混，分子鏈間的強靜電相互作用，導致分子鏈構象最大程度呈伸直鏈狀態，鏈堆積形態呈現致密堆積，密度增加近10%，從而減少了分子鏈的自由體積和空隙。因此，PI/PEI共混物在很寬的溫度范圍內表現出顯著增強的擊穿強度，在室溫下的擊穿強度高達1,000 MV/m，在 200 ℃時，可以保持550 MV/m的創紀錄高位。

　　PI/PEI共混薄膜的介電性能

　　該論文提出的利用分子間強靜電相互作用進行共混的可以低成本批量制備的策略，不僅為提高聚合物電介質的擊穿強度提供了新的分子工程路線，而且還可以應用于聚合物材料的諸多其它領域，比如提高應用于包裝的阻隔聚合物的阻隔性能、提高應用于導熱材料或熱界面材料中聚合物的本征熱導率。

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