砜基修饰聚苯醚的耐高温高储能密度偶极玻璃态聚合物

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

拥有高储能密度、低介电损耗以及耐高温特性的高分子介电材料近年来成为材料科学领域的研究热点。该类高性能介电高分子可作为聚合物薄膜电容器材料和柔性晶体管的介电层材料应用在各类电力设备以及电子器件中。近日，凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的祝磊教授（点击查看介绍）课题组制备了一类砜基侧链修饰的聚苯醚薄膜材料，并系统地研究了其优异的介电性能。

图1. 砜基修饰聚苯醚的分子结构以及介电性能

目前广泛应用于聚合物薄膜电容器的高分子介电材料是双轴拉伸聚丙烯（BOPP）。该高分子材料虽然具有高击穿强度以及低能量损耗等优势，但低介电常数（ɛ_r = 2.25）以及随之带来的低能量密度（U_e = 5 J/cm³）导致薄膜电容器的体积过大、成本难以降低等问题。另一方面，BOPP无法在较高温度下（如85 ˚C以上）持续工作，寿命大幅度缩短。因此，此类聚合物薄膜电容器在工作时需要配备水冷系统，进一步增加了设备的体积和成本。降低成本以及提高聚合物薄膜电容器性能的关键在于提高介电高分子的介电常数，并降低在高温条件下的能量损耗。

首先，祝磊教授课题组讨论了提高介电常数的几类途径，指出最有效的方法是在高分子侧链引入高偶极的官能团，利用该类官能团在高电场下的取向极化能力实现提升电容及介电常数的目的。砜基官能团具有偶极矩高（4.25 D）、体积小、易取向、取向极化温度低等特点，有利于提升介电常数并同时限制取向极化所引发的介电损耗。研究表明，随着砜基侧链接枝度的增加（0-52%），聚苯醚的介电常数得到飞跃性的提升（从3.5到8.6）。另一方面，为了避免结晶区偶极官能团反转带来的铁电损耗，无定形玻璃态聚合物主链是实现低介电损耗的必要条件；另外，包含芳香烃的主链结构可以保证高玻璃化转变温度，从而实现耐高温低损耗的性能。聚苯醚的主链结构可以同时满足以上两点设计要求，同时聚苯醚具有结构简单、成本低等特点。

图2. 砜基修饰聚苯醚的（A）放电能量密度以及（B）放电效率

砜基侧链修饰的聚苯醚表现出卓越的介电性能，如高介电常数（6.2-8.6）、低介电损耗（tanδ < 0.01）、高击穿强度（大于800 MV/m）、高能量密度（在击穿电场之前达到20 J/cm³ 以上，是BOPP的四倍）以及耐高温特性（150 ˚C时放电效率约为90%）。该类新型的聚合物十分适用于聚合物薄膜电容器，其高能量密度以及低损耗的特性可有效帮助降低电容器的体积和成本，并进一步提高电容器的性能；也可广泛应用于有机半导体器件，如作为高电容、稳定并耐高温的有机栅极介电材料应用于有机场效应晶体管。此类器件性能方面的研究工作正在进行中。相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是凯斯西储大学的博士研究生张忠博。

该论文作者为：Zhongbo Zhang, Dr. David H. Wang, Prof. Morton H. Litt, Dr. Loon-Seng Tan, Prof. Lei Zhu

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High‐Temperature and High‐Energy‐Density Dipolar Glass Polymers Based on Sulfonylated Poly(2,6‐dimethyl‐1,4‐phenylene oxide)

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1528, DOI: 10.1002/anie.201710474

祝磊教授简介

祝磊，美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University）高分子科学与工程系教授，2000年于美国阿克隆大学（University of Akron）程正迪课题组取得博士学位，2002年至2008年就职于美国康涅狄格大学（University of Connecticut），2009年1月起就职于凯斯西储大学。

祝磊的研究领域是高性能的介电材料、结晶高分子及液晶高分子、高分子的有序结构与形貌，在相关领域发表SCI论文近160篇，包括以通讯作者身份发表的Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules 等；撰写书籍章节6篇，曾获得NSF Career Award。

祝磊

http://www.x-mol.com/university/faculty/49617

课题组主页

http://case.edu/cse/emac/leizhu/index.htm

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：随着科学技术以及工业技术的发展，各领域对高能量存储以及柔性电子器件的需求日益增加。而高性能介电高分子材料的研究一直滞后于相关其他领域的发展，即应用于聚合物薄膜电容器的可产业化高分子介电材料仍局限于传统低介电常数、低能量密度的聚合物，从而限制了设备及器件的功能和成本。该课题研究的目的就是寻求高介电常数、高能量密度、低能量损耗以及耐高温的聚合物薄膜电容器材料，期望通过分子设计、理论研究以及结构与性能关系等方面的探索打破传统高分子作为介电材料的局限，并将高性能的高分子介电材料推广到其他应用领域中。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何掌握分子结构与介电性能之间的关系。例如，我们课题组研究过一系列不同的极性玻璃态聚合物，尽管对结构与性能的关系有了充分的了解，但想得到可以同时满足各种优异性能的材料，如同时具有高介电常数、低介电损耗、耐高电压、耐高温、易加工等特性，仍需要通过大量的研究来实现，如对聚合物官能团/主链结构的选择，侧链/主链的优化，薄膜形貌、质量等优化。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：此类聚合物具有高介电常数、高能量密度、高击穿强度、高玻璃化转变温度、耐高温、低损耗等特性，是极佳的高分子介电材料，所涉及的各项应用包括高储能密度电容器以及作为场效应晶体管中的栅极介电材料。我们相信该研究成果可以为相关研究领域提供建设性的研究方向，并为应用领域提供一种性能优异、有产业化前景的高分子介电材料。该研究的相关内容已申请专利。