如何低介電常數(shù)和高介電常數(shù)的區(qū)別？各自的關(guān)鍵性能、典型材料、發(fā)展挑戰(zhàn)以及應(yīng)該領(lǐng)域

介電常數(shù)范圍：

通常指介電常數(shù)（Dk）低于 3.9~4.0（二氧化硅的介電常數(shù)）的材料，部分高性能材料可低至 2.1~2.5。

核心設(shè)計原理：

降低極化率：引入非極性基團（如C-F鍵、大體積基團）、飽和碳鏈結(jié)構(gòu)，減少分子極化。

降低材料密度：通過造孔（多孔結(jié)構(gòu)）或添加多孔納米填料（如POSS），增加空氣占比（空氣ε≈1）以降低整體介電常數(shù)。

關(guān)鍵性能：

低介電常數(shù)高分子材料除了具有低介電常數(shù)外，還需具備低介電損耗、高耐熱性、低吸濕性、良好機械強度。

1）含氟聚合物

聚四氟乙烯（PTFE）：Dk≈2.0–2.1，非極性材料，耐高溫（>260℃），廣泛用于高頻電路基板（如5G天線）。

氟化乙烯丙烯（FEP）：Dk≈2.1，耐化學腐蝕，適用于高頻連接器。

乙烯四氟乙烯（ETFE）：Dk≈2.6，機械強度高，用于耐高溫電纜絕緣層。

2）非極性烴類聚合物

聚乙烯（PE）：

高密度聚乙烯（HDPE）Dk≈2.3，低密度聚乙烯（LDPE）Dk≈2.2，但耐溫性較低（<100℃）。

聚丙烯（PP）：Dk≈2.2–2.3，成本低，但耐溫性有限（~120℃）。

聚苯乙烯（PS）：Dk≈2.4–2.6，高頻損耗低，常用于高頻PCB基材。

3）耐高溫特種工程塑料

液晶聚合物（LCP）：Dk≈ 2.5–3.0，兼具低吸濕率、高耐熱性（>200℃），是5G通信的核心材料。

聚苯醚（PPO/PPE）：Dk≈ 2.6–2.8，常與HIPS共混（Dk≈2.5）用于5G殼體。?

1）極性基團改性材料

氟化聚酰亞胺（PI）：通過引入氟基團，Dk從3.5降至2.4–2.6，耐溫>300℃。

聚醚醚酮（PEEK）：Dk≈3.2，改性后可通過發(fā)泡或共混降至2.8以下。

2）多孔結(jié)構(gòu)材料

多孔聚酰亞胺（PI）：引入納米氣孔后Dk可降至1.8，用于超高頻集成電路。

多孔聚乙烯：孔隙率62.9%時Dk≈1.56，但機械強度需優(yōu)化。?

通過填充/共混進一步降低介電常數(shù)：

PI/氧化石墨烯復(fù)合材料：Dk≈1.41（氧化石墨烯0.19%填充）。

PS/POSS納米復(fù)合材料：Dk≈2.30，POSS結(jié)晶增強分子鏈對稱性。

低介電PPS：改性后Dk≈3.0–3.3，用于5G設(shè)備殼體。?

表征材料儲存電能和均勻電場的能力，是微型電容器、記憶元件等器件的關(guān)鍵參數(shù)。

實現(xiàn)方式：

在高分子側(cè)鏈引入高偶極矩官能團（如氰基、氟基），利用取向極化提升Dk。

添加高介電常數(shù)填料（如BaTiO?、鈦酸鍶鋇陶瓷），但需控制填料體積分數(shù)以避免負面影響。

矛盾點：提高介電常數(shù)常伴隨介電損耗的增加。?

表征電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，損耗過高導(dǎo)致發(fā)熱和效率下降。

矛盾點：提高介電常數(shù)常伴隨介電損耗增加（因極性基團取向?qū)е路肿幽Σ粒咝阅懿牧闲杓骖櫟蛽p耗 。

控制方法：

抑制偶極子摩擦：通過交聯(lián)、結(jié)晶度提升或引入線性聚合物（如ArPTU）降低取向損耗。

減少電導(dǎo)損耗：避免雜質(zhì)/增塑劑，優(yōu)化填料界面。

典型值：PI薄膜<0.01，PVDF-TrFE-CFE/ArPTU復(fù)合材料損耗顯著降低。

定義：材料抵抗電擊穿的能力，計算公式為：Eb=V/d（V為擊穿電壓，d為厚度），單位kV/mm。

重要性：直接決定儲能密度（U∝Eb2）。

提升策略：

①添加低介電常數(shù)納米填料（如SiO?），匹配基體介電常數(shù)以均勻電場。

②采用多層結(jié)構(gòu)（如改性BaTiO?/PI三層薄膜），平衡ε與Eb。

③表面修飾填料，改善分散性。

典型值：PVDF基材料可達407–600 kV/mm，聚酰亞胺（PI）薄膜達202 kV/mm。?

溫度升高通常降低非極性高分子的介電常數(shù)（如PTFE、PP），但高介電材料需在高溫下保持穩(wěn)定性，以及維持低損耗和高Eb。

優(yōu)勢：高分子基體具備柔性、易加工和低成本特性 。

挑戰(zhàn)：添加高介電填料（如金屬氧化物、石墨烯）可能犧牲柔性和機械強度 。新型材料（如聚氨酯薄膜）通過分子設(shè)計實現(xiàn)高拉伸強度、斷裂伸長率及柔性，避免填料添加。?

介電常數(shù)與損耗隨頻率變化：高頻下偶極極化受限，導(dǎo)致ε下降。5G/6G應(yīng)用需材料在GHz頻段保持穩(wěn)定

極性基團（如氰基、羥基）提升介電常數(shù)，但過量會增加損耗。比如非極性材料（PTFE，ε≈2.1）介電常數(shù)最低，極性材料（PA，ε可達9）較高。

1)高與低損耗的矛盾：引入高極性基團提高ε，但偶極子取向?qū)е路肿幽Σ?，增加損耗。

2) 高ε與高Eb的矛盾：高填料含量易引發(fā)局部電場集中，降低Eb。

3) 協(xié)同優(yōu)化案例：

PVDF-TrFE-CFE/ArPTU（90/10）：Dk提升同時，Eb達407 MV/m，損耗降低，儲能密度22 J/cm3。

改性BaTiO?/PI三層薄膜：BaTiO?提高ε，純PI中間層維持高Eb。?

高分子材料本身介電常數(shù)普遍較低，但部分極性聚合物可通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計提升介電性能。

聚偏氟乙烯（PVDF）：介電常數(shù)可達 10，是目前已知介電常數(shù)最高的純高分子材料之一。兼具壓電性與鐵電性，適用于儲能電容器和傳感器。

聚氨酯（PU）：介電常數(shù)約為7，高于多數(shù)常見聚合物?？赏ㄟ^化學改性（如引入極性基團）進一步提升介電常數(shù)。?

為突破純高分子介電極限，常通過添加高介電填料制備復(fù)合材料：

1）陶瓷/聚合物復(fù)合材料：

鈦酸鋇（BaTiO?）：鐵電陶瓷填料，介電常數(shù)數(shù)百至數(shù)千，與聚合物復(fù)合后可顯著提升整體介電性能。

鈦酸銅鈣（CCTO）：巨介電常數(shù)材料，復(fù)合后介電常數(shù)極高但損耗較大。

鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）：低損耗鐵電體，適合高性能電容器。

2）導(dǎo)電填料/聚合物復(fù)合材料

添加金屬顆粒（如銀）、碳材料（石墨烯）或?qū)щ姼叻肿樱ň郾桨罚?/span>，通過滲流效應(yīng)提升介電常數(shù)，但需控制填料比例以避免高損耗。

3）核心-殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料

通過"核殼"設(shè)計（如BaTiO?@聚合物）優(yōu)化界面相容性，實現(xiàn)高介電常數(shù)（>100）與低損耗的平衡。?

儲能與電容器：

高能量密度電容器：BaTiO?/聚合物復(fù)合材料用于嵌入式微電容器，提升集成電路儲能效率。

介電儲能材料：如改性聚酰亞胺用于脈沖功率設(shè)備。

晶體管與柵極介質(zhì)：

柵極絕緣層：替代SiO?（ε≈3.9），用High-k材料（如HfO?/聚合物，ε>20）抑制漏電流，提升MOSFET性能。

傳感器與諧振器：

利用高ε材料增強電場敏感度，如PVDF基壓電傳感器。?

1.高Dκ與高損耗的矛盾：

極性基團提升Dκ，但分子運動導(dǎo)致介質(zhì)損耗劇增（如氰化乙烯共聚物Dκ=130但損耗高）。

2. 填料分散性與柔性的矛盾：

添加鈦酸鋇等填料可提高Dκ，但超過20%體積分數(shù)會顯著降低柔性。

3. 界面問題：

填料/聚合物界面易形成缺陷，降低擊穿場強（如BaTiO?復(fù)合材料）。?

1.低κ與機械強度的矛盾：

降低Dκ需引入孔隙或氟原子，但多孔材料易脆化（如多孔二氧化硅）。

2. 吸濕性問題：

多孔/含氟材料易吸水（水Dκ≈80），顯著升高實際Dκ值。

3. 熱穩(wěn)定性不足：

低Dκ聚合物（如PE）耐溫性差，高溫下κ值波動大。?

1.頻率依賴性：

所有高分子材料的Dκ值隨頻率升高而下降，高頻應(yīng)用需精準測試。

2. 改性工藝復(fù)雜度：

低Dκ材料需化學氣相沉積/旋涂工藝，高Dκ復(fù)合材料需表面改性填料，均增加成本。?