Nature Communications突破”混合规则”:高熵设计打造高性能介电聚合物——一种反直觉的材料设计策略,让聚合物介电性能突破极限

01 [科学背景] 在可再生能源发电与电动汽车的功率转换系统中, 介电材料 扮演着至关重要的角色. 目前主流材料多为陶瓷, 但其加工性差, 密度高, 脆性大. 聚合物虽具备柔性, 轻质, 易加工等优势, 却常因介电常数低, 热稳定性差而受限. 更严峻的是, 目前高性能介电聚合物多依赖含氟聚合物, 而其中的PFAS类物质对环境和人体具有长期毒性. 开发非氟, 高性能, 高热稳定的聚合物介电材料, 已成为领域内的迫切需求. 02 [创新成果] 基于这一难题, 英国伦敦玛丽女王大学的Xin Qi(祁鑫)博士在Nature Communications上发表了题为“High entropy engineered polymer blends with enhanced dielectric properties and high temperature stability” 的论文, 提出了一种反直觉的方法, 通过将多种不互溶但可共加工的聚合物熔融共混, 构建“高熵聚合物体系”, 模拟高熵合金与高熵陶瓷设计. 该研究选择了五种聚合物: PVDF, PVDF-TrFE, PVDF-HFP(极性氟聚合物) PP, PS(非极性通用聚合物) 通过熔融挤出工艺, 在200°C下制备了两种共混体系: B1:五种聚合物共混(含PS) B2:四种聚合物共混(不含PS) 关键发现:性能远超“混合规则” 1.  介电常数大幅提升 在1kHz频率下: B1的介电常数达到22. 4, 比混合规则预测值(8. 3)高出250%以上 B2的介电常数仅为8. 7, 接近混合规则预测值(9. 6) 2.  低损耗, 高频率, 高热稳定性 B1的损耗角正切<0. 05, 且松弛频率>100 MHz 在150°C下退火48小时后, B1的介电性能保持稳定 B2在相同高温下性能开始不稳定 03 [数据概览] 图一:高熵聚合物的设计策略和介电性能. 04 [科学启迪] 机制解析:PS为何是关键 本研究通过DSC, XRD等手段发现: PS的加入显著提高了熔体粘度, 阻碍了聚合物在冷却过程中的相分离与结晶 形成了高度非晶, 高度无序的结构, 增加了链间距(自由体积) 极性纳米区域尺寸减小, 极性基团旋转自由度提高, 从而增强了取向极化 简单来说:PS像“冻结剂”, 把其他聚合物“锁”在非晶态, 释放了极性基团的旋转潜力. 科研感悟:反直觉背后的逻辑 这项研究的最大启示是:“不互溶”未必是缺点, 反而可以成为设计的杠杆. 我们通常追求“互溶共混”, 但本研究证明: 非平衡态结构可带来意想不到的性能提升 多组分, 高无序体系具有巨大的调控潜力 环境友好型材料同样可以实现高性能 学术观点:高熵聚合物的未来 这项工作指出, “高熵聚合物”不仅是一个新概念, 更是一个可扩展, 可推广的材料设计平台: 适用于多种极性/非极性聚合物组合 可通过组分比例, 加工条件调控微观结构与性能 有望替代含氟聚合物, 推动绿色电子器件发展 原文详情:Xin Qi et al,  High entropy engineered polymer blends with enhanced dielectric properties and high temperature stability. Nature Communications, 16, 9056 (2025). https://doi. org/10. 1038/s41467-025-63248-x