侧链含甲基砜基团的交联聚芳醚酮类材料在高性能电容储能中的应用

本文推荐研究人员针对传统聚合物电介质能量密度低、高温性能差的问题，通过设计含强极性甲基砜侧基（?SO2 -）的交联聚芳醚酮（ASPEK），开发出兼具高介电常数（4.2）、超低损耗（0.003）和优异击穿场强（760 MV m?1 ）的新型材料。其放电能量密度达11.10 J cm?3 ，效率87.5%，为高温薄膜电容器提供了创新解决方案。

　　

在电力电子和脉冲功率系统中，薄膜电容器是能量存储的核心部件，但其性能受限于传统聚合物电介质的低能量密度（如BOPP仅1-2 J cm^?3
）和有限的高温耐受性（T_g
<150℃）。随着航空航天、新能源汽车等领域对高温高能电容器的需求激增，开发兼具高介电常数（k）和高击穿场强（E_b
）的新型聚合物成为研究焦点。

同济大学的研究团队创新性地将强极性甲基砜基团（偶极矩4.5D）引入聚芳醚酮主链，通过热交联烯丙基构建三维网络，成功制备出ASPEK系列材料。其中ASPEK_20%
表现出突破性性能：介电常数4.2、损耗角正切值0.003、击穿场强760 MV m^?1
，在室温下实现11.10 J cm^?3
的放电能量密度，150℃高温下仍保持4.71 J cm^?3
。该成果发表于《European Polymer Journal》。

研究采用三大关键技术：1）通过亲核取代反应合成含甲基砜侧基的单体S-BPA；2）调控DBA交联剂比例构建可交联聚芳醚酮；3）通过宽频介电谱和电滞回线测试评估储能性能。

【材料合成与表征】
核磁共振（NMR）和红外光谱（FI-IR）证实S-BPA单体中甲基砜基团（?SO₂
-）的成功引入。交联后的ASPEK薄膜在TGA测试中展现>400℃的热稳定性，DSC显示T_g
提升至200℃以上。

【介电性能】
宽频测试表明甲基砜基团显著提升介电常数（10³
-10⁶
Hz范围内k=4.0-6.5），交联结构有效抑制偶极子弛豫，使损耗维持在0.0015-0.004。

【储能特性】
电滞回线测试显示ASPEK_20%
在760 MV m^?1
场强下U_e
达11.10 J cm^?3
，效率87.5%。分子动力学模拟揭示交联网络通过限制偶极子运动提升E_b
。

该研究通过"极性基团引入+交联网络构建"的双重策略，突破了线性电介质材料中k与E_b
的权衡效应。其意义在于：1）为高温高能电容器提供新型材料；2）提出的分子设计方法可推广至其他聚合物体系；3）交联结构设计思路对抑制介质损耗具有普适性。作者指出，未来可通过优化交联密度和极性基团取向进一步提升性能。