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賓夕法尼亞州立大學(xué)章啟明《Matter》：耐壓可達(dá)1000MV/m的高溫聚合物
文章來源：高分子科學(xué)前沿 更新時(shí)間：2021-06-03 13:55:41
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來源：高分子科學(xué)前沿
聚合物材料具有許多優(yōu)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(duì)社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。近年來，隨著5G通訊和電動(dòng)汽車的發(fā)展，聚合物材料在電子設(shè)備和電子系統(tǒng)中的應(yīng)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(qiáng)度）對(duì)這些應(yīng)用至關(guān)重要。比如，擊穿強(qiáng)度決定了電網(wǎng)中用于高壓電力傳輸?shù)木酆衔锝^緣材料的可靠性和耐用性。擊穿強(qiáng)度決定了聚合物電容器的能量密度 (Ue)。運(yùn)輸、微電子和航空航天等惡劣環(huán)境服役下的電子系統(tǒng)，對(duì)聚合物在很寬溫度范圍內(nèi)（>150℃）擊穿強(qiáng)度的性能需求不斷提升。
在理論上，經(jīng)典模型表明聚合物介電材料的固有擊穿強(qiáng)度高于 1000 MV/m，因?yàn)榫酆衔锝殡姴牧暇哂写蟮哪軒?，而且移?dòng)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(qiáng)的實(shí)際值，例如，聚酰亞胺(PI)和聚（醚酰亞胺）(PEI)等，都遠(yuǎn)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(huì)發(fā)生卷曲、纏結(jié)等，因此在聚合物材料的無定形區(qū)域引入許多缺陷，例如自由體積和結(jié)構(gòu)無序。這些缺陷區(qū)域的平均自由程大于聚合物致密結(jié)構(gòu)中的平均自由程，在外加電場的加速下，缺陷區(qū)域的自由電荷會(huì)獲得更高的能量，最終導(dǎo)致在較低的電場下引發(fā)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(huán)是大部分高溫聚合物分子結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分，利用不同聚合物分子結(jié)構(gòu)中苯基之間的強(qiáng)相互作用可以實(shí)現(xiàn)聚合物鏈堆積行為的調(diào)控。在不同聚合物的分子結(jié)構(gòu)中，苯基中的離域電子可能帶有部分正電荷或部分負(fù)電荷。因此，將合適匹配的兩種高溫聚合物進(jìn)行共混，利用兩種聚合物分子鏈間強(qiáng)的靜電相互作用，可以調(diào)控分子鏈的構(gòu)象，誘導(dǎo)分子鏈致密堆積，降低成型過程中的缺陷位點(diǎn)，最終提高擊穿場強(qiáng)。
近期，賓夕法尼亞州立大學(xué)章啟明教授實(shí)驗(yàn)室展示了這種通過鏈間強(qiáng)靜電相互作用實(shí)現(xiàn)的共混策略，可以有效地應(yīng)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(diǎn)，從而顯著提高它們?cè)谑覝匾约案邷兀?00℃）下的擊穿強(qiáng)度。
分子鏈堆積行為
如圖所示，PI具有兩個(gè)帶強(qiáng)正電荷的苯基，而PEI具有三個(gè)相對(duì)帶負(fù)電荷的苯基。將這兩種聚合物共混，分子鏈間的強(qiáng)靜電相互作用，導(dǎo)致分子鏈構(gòu)象最大程度呈伸直鏈狀態(tài)，鏈堆積形態(tài)呈現(xiàn)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(nèi)表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的擊穿強(qiáng)度，在室溫下的擊穿強(qiáng)度高達(dá)1,000 MV/m，在 200 ℃時(shí)，可以保持550 MV/m的創(chuàng)紀(jì)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(qiáng)靜電相互作用進(jìn)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(zhì)的擊穿強(qiáng)度提供了新的分子工程路線，而且還可以應(yīng)用于聚合物材料的諸多其它領(lǐng)域，比如提高應(yīng)用于包裝的阻隔聚合物的阻隔性能、提高應(yīng)用于導(dǎo)熱材料或熱界面材料中聚合物的本征熱導(dǎo)率。 |
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