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  在新能源汽車、高速鐵路、智能電網(wǎng)調(diào)頻、可穿戴電子和可打印電子器件等電力電子設(shè)備中高分子電介質(zhì)材料發(fā)揮著極其重要的作用。隨著科技的日新月異，高介電常數(shù)、低介電損耗和耐高溫已經(jīng)成為先進(jìn)高分子電介質(zhì)材料的三大指標(biāo)，也是本領(lǐng)域科學(xué)家孜孜不倦追求的目標(biāo)。對于介電材料而言，高極化和低介電損耗是相互對立的兩種性能，如何在高介電常數(shù)和低損耗之間建立平衡就顯得尤為重要。

  鑒于在介電高分子材料領(lǐng)域的創(chuàng)新工作和積累，近日，凱斯西儲大學(xué)祝磊教授和長安大學(xué)魏俊基博士共同合作在《高分子科學(xué)進(jìn)展》（Progress in Polymer Science）期刊撰寫了題目為“Intrinsic polymer dielectrics for high energy density and low loss electric energy storage”的綜述論文。論文第一作者為魏俊基博士，祝磊教授為通訊聯(lián)系人。

  該綜述首先針對介電聚合物提出了非本征介電聚合物和本征介電聚合物的概念。文章進(jìn)一步探討了非本征介電高分子和本征介電高分子各自的極化機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)。從物理分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙重角度，深度剖析了在保持低介電損耗的同時，如何盡可能的提高介電聚合物介電常數(shù)的可行之路。最后文章提出以偶極玻璃高分子和高分子多層膜為代表的本征介電聚合物是實(shí)現(xiàn)高儲能電容器的優(yōu)選材料。

1. 偶極玻璃高分子（Dipolar Glass Polymers, DGPs）

  在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，高分子的主鏈被凍結(jié)，只有分子鏈內(nèi)部的極性基團(tuán)可以運(yùn)動，從而具有高介電常數(shù)的介電高分子被稱為偶極玻璃高分子，可以進(jìn)一步劃分為主鏈型DGPs和側(cè)鏈型DGPs。

圖1. (A) 一種DGPs型高分子PMSEMA 的εr′和εr′′隨溫度的變化曲線，(B) PMSEMA的雙極D-E回路曲線

圖2. 另一類DGPs型高分子(A)SO₂-PPO₂₅和(B)SO₂-PPO₅₂的雙極D-E回路曲線，(C) SO₂-PPO₂₅和SO₂-PPO₅₂能量釋放密度隨溫度的變化曲線，(D) SO₂-PPO₂₅和SO₂-PPO₅₂能量釋放率隨溫度的變化曲線。

2.高分子多層膜

  利用PVDF與另一種高分子通過熔融共擠出工藝可以制備出介電常數(shù)在4-7之間的高分子多層膜，其介電常數(shù)可以通過PVDF的含量控制。這種高分子多層膜可以將本征介電性能和非本征介電性能結(jié)合在一起，充分利用了界面極化、取向極化和電子極化等極化方式，還可以獲得高的擊穿場強(qiáng)。由于此種介電高分子材料生產(chǎn)工藝簡單易行，具備大規(guī)模生產(chǎn)的條件，在今后的先進(jìn)薄膜電容器領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

圖3. (A) 多層薄膜共擠出工藝，(B) 薄膜層數(shù)倍增機(jī)理，(C) 體積比為50/50的PC/PVDF多層薄膜的AFM圖，(D)多層薄膜內(nèi)部各種極化機(jī)理的優(yōu)缺點(diǎn)對比。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670020300472