摘要：高频通信推动了介电材料的发展，介电材料需具有最小的信号延迟或损耗，以及在极端条件下的高功率和长期稳定性。聚酰亚胺（PI）尽管具有许多优势，但其介电常数（3.1-3.8）和介电损耗相对较高，这与高频通信的需求不符。虽然通过多孔策略引入空气（如电纺丝PI纳米纤维膜

浙江理工大学司银松副教授&傅雅琴教授团队：优异介电性能疏水PIfm/PI复合膜

高频通信推动了介电材料的发展，介电材料需具有最小的信号延迟或损耗，以及在极端条件下的高功率和长期稳定性。聚酰亚胺（PI）尽管具有许多优势，但其介电常数（3.1-3.8）和介电损耗相对较高，这与高频通信的需求不符。虽然通过多孔策略引入空气（如电纺丝PI纳米纤维膜）可实现较好的介电常数，但多孔PI结构常常具有介电强度低、介电损耗高和拉伸强度差的缺陷。特别是，PI固有的亲水性在潮湿或浸没环境中维持稳定的介电性能方面带来了挑战。因此，获得具有卓越综合性能的PI介电材料仍然是一个重大挑战。

近日，浙江理工大学傅雅琴教授团队在期刊《Composites Science and Technology》上发表了最新研究成果“Electrospinning-impregnation: Producing hydrophobic polyimide composites with superior dielectric properties”。通过将静电纺丝纳米纤维膜（PIfm）在聚酰胺酸（PAA）溶液中浸渍，并经过二次热亚胺化形成了PIfm/PI复合材料。该PIfm/PI复合材料介电常数（1.756）和介电损耗（0.004）极低，介电强度（226.47 kV/mm）优异，同时具有相当高的拉伸强度（40.3 MPa）。这些优异的性能源于复合材料的特殊微观结构，其中包含了压缩-回弹相互作用，这种作用抑制了PI中的γ松弛和偶极极化。此外，PIfm/PI复合材料展现出优异的热性能（5%热分解温度高于560°C）、适当的线性热膨胀系数（约50 ppm/℃）以及出色的疏水性能（接触角108°-132°），即使在潮湿环境中也保持了介电性能的相对稳定，这将极大地推动PI纳米纤维复合材料在高频应用中的进展。

浸渍的PAA溶液能够均匀分布在PIfm内部的纤维网络之中，经亚胺化后与纤维之间形成“桥连”结构，图1展示了该PIfm/PI复合薄膜的制备过程。该过程不仅在微观领域中减少了PIfm的内部缺陷，同时在宏观层面上显著提高了纤维薄膜的力学性能和介电强度，极大地增加了超低介电纤维薄膜的实用性。

图1. PIfm/PI复合薄膜的制备流程示意图

图2的扫描电镜（SEM）图可以看到，复合材料的表面随着PAA溶液浓度的增加，表面孔隙逐渐填充，PI纳米纤维变得更加紧密和扭曲，形成了更加均匀的界面结构，PIfm/PI复合薄膜表面的孔隙明显减少。PAA浸渍液的粘度不断提升且体积不断收缩，使部分PI纤维发生收缩，这就将PI纤维的收缩部分与浸渍固化的PI基体之间形成了更多的桥连位点，有助于提升纤维复合薄膜的力学性能。

图2. (a-d) PIfm/PI复合材料表面的SEM图像。(e-h)PIfm/PI复合材料的截面SEM图像，使用纯PIfm纤维膜作为参考。(i)当使用不同浓度的PAA溶液进行浸渍时，PIfm/PI复合材料的微观结构示意图。

特别地，浸渍工艺可以有效地抑制纤维表面PI分子链的极化作用，提升PIfm/PI复合薄膜介电常数的稳定性，降低了在高频工况下的介电损耗，如图3，所有复合材料的介电常数仍保持在超低值（

图3. (a)介电常数，(b)介电损耗，(c)PIfm/PI复合材料在X波段的介电常数和介电损耗统计。(d)PIfm/PI-15%复合材料的介电常数和介电损耗图。(e)击穿强度的韦布尔分布。(f)特征击穿强度和韦布尔参数。

PIfm/PI复合材料的高疏水性源自纯PIfm的优异疏水性。PIfm/PI复合薄膜在未引入F元素的前提下，整体仍保持着100°以上的疏水特性，如图4。更重要的是，在相对湿度高达90%的环境中处理24小时后，其在X波段的平均介电常数即使未经任何干燥处理也保持在3.0以下，继续在相对湿度40%的条件下24小时后，介电损耗快速恢复到0.007。该复合膜较好的疏水性能够极大提高其在IC器件中的实用价值。

图4. (a)表面接触角。(b)表面接触角统计。(c)AFM图像。(d)PIfm和PIfm/PI复合材料的均方根粗糙度。

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司银松，博士，副教授，硕士生导师，主要研究静电纺无机纳米纤维膜的制备及热防护应用、仿生刺体多孔微球的合成及应用、石墨相氮化碳光催化产氢性能。主持国家基金、浙江省基金、纺织之光应用基础研究各1项，已在Chem Soc Rev, Compos Part B, Compos Sci Technol, Chem Mater, J Mater Chem A, ACS Appl Mater Interfaces, Langmuir, Colloid Surface A等发表SCI论文30余篇（含ESI高被引论文1篇、封面论文1篇），获授权发明专利8件。担任Polymers期刊客座编辑、专题顾问小组成员，Catalysts期刊客座编辑和多个国内外期刊审稿人。参与获得中国纺联科技进步二等奖1项、教学成果一等奖2项、优秀专利金奖1项。

近期，傅雅琴教授团队在聚酰亚胺材料的研究方面已发表系列研究论文：

1) Composites Science and Technology, 2024, 249: 110508;

2) ACS Applied Materials & Interfaces 2024 16 (44), 61004-61015;

3) Journal of Applied Polymer Science, 2024, 141(40): e56025;

4) Polymer Composites, 2024, 45(10): 9530-9542;

5) Macromolecular Rapid Communications, 2023, 44(12): 2200956;

6) European Polymer Journal, 2023, 112543;

7) Composites Part B: Engineering, 2023, 254: 110542）。

未来，团队将继续围绕聚酰亚胺材料在高频通信领域的实际应用展开深入研究。

来源：暴躁科学家