介电常数是表示材料极化程度的宏观物理量，介电损耗是指材料在交变电场中取向极化时，伴随着介质本身发热导致的能量消耗。通常，增大分子极性可以获得高介电常数聚合物，但分子极性的增加会伴随介电损耗的提升，而将极性基团放在自由度较大的位置可以适当降低介电损耗。

传统的高介电常数材料为无机陶瓷类材料，然而陶瓷存在成本高、质脆、不易加工等缺点，相比之下聚合物材料本身具有质轻柔韧、介电损耗低、成膜性好等优点。因此，以低成本生产新型高介电常数、低损耗的聚合物电介质材料成了信息功能材料的研究热点，具有很高的实际应用价值和广阔的市场前景。

由于介电常数受聚合物极性的影响，高介电常数的聚合物多为具有强极性片段的大分子，应用最为广泛的是聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride; PVDF），其化学结构为：

PVDF是一种半结晶聚合物，由偏二氟乙烯单体通过自由基聚合过程合成，结晶度为50%～70%，玻璃化转变温度在-40～-30℃，熔融温度在155～192℃。基于分子链的旋转角度不同，PVDF中存在五种不同的相，即α、β、γ、δ和ε相。在不同类型的PVDF中，α相的偶极矩彼此抵消，总体表现为非极性，而δ、γ和β相则由于偶极矩的存在而表现出高极性，具有高介电常数。因各相含量和分布不同，PVDF的介电常数为6～12。

根据材料的构成，高介电常数聚合物可以分为单一组分和复合材料两大类。

单一组分高介电常数聚合物，根据聚合方式不同又可分为均聚物和共聚物两种。以PVDF为例，主要有PVDF均聚物或者偏二氟乙烯与其他含氟烯烃单体的共聚物，其1千赫下的介电常数与损耗如表所示，相应单体的名称与结构如图2所示。

图2 非对称含氟单体的名称与化学结构

然而，单一聚合物材料的介电常数通常很低，即便具有铁电性的PVDF及其接枝类产品，其介电常数在100赫下一般也不超过15，难以满足电容器小体积大容量的要求。通过形成复合材料可以进一步提高该类聚合物的介电常数。根据填充组分不同又可以将复合材料归类为：陶瓷填充聚合物电介质、导电填料填充聚合物电介质、全有机聚合物电介质和三元或多元杂化体系。

向聚合物基体中添加具有高介电常数的铁电陶瓷粉末，如钛酸钡、钛酸锶钡等，是最早获得高介电常数聚合物的主要方法。陶瓷填充聚合物复合电介质虽然能够结合陶瓷高介电常数和聚合物低损耗等特性，但在较高陶瓷粉末填充量（＞50wt%）下，对于复合材料介电常数的增强效果仍有限（ε＜100）。填料同时也导致了该类材料加工上的困难和力学强度的降低。此外，由于纳米尺寸效应，即当陶瓷颗粒小于100纳米时其铁电性能消失，更限制了小于微米的高介电薄膜材料的发展，严重制约了陶瓷/聚合物电介质材料的广泛应用。

向聚合物中添加一些导电填料，如金属粉末、炭黑、碳纳米管和石墨等，在渗流阈值（f_c）附近，复合材料的介电性能发生渗流突变。尤其是添加具有高长径比的碳纳米管和石墨烯材料时，很少的填料量就能获得具有较高介电常数的电介质，同时保持了聚合物本身良好的韧性和机械强度。然而，渗流体系最大的缺陷是，在f_c附近，填料间容易形成导电通路，导致材料产生较大的介电损耗，严重影响电介质的使用寿命和安全性。

除了上述有机/无机复合电介质材料外，全有机类电介质材料也是一个重要研究方向，主要基于其更好的生物相容性，可以广泛应用于药物释放、人工肌肉以及生物化学特性研究。

简单的二元复合体系在性能上存在瓶颈，电介质在获得较高介电常数的同时往往伴随着较高的填充量或较高的损耗问题。此外，二元体系受外场影响显著，介电性能不稳定。研究者综合了传统的陶瓷/聚合物和导电填料/聚合物二元体系的优点，探索了很多三元或多元杂化体系。三元杂化体系在一定程度上改善了传统陶瓷/聚合物二元体系的弊端，不同填料间起到了明显的协同增强的作用，其综合性能优于传统的二元复合体系。

高介电常数聚合物通常被用于制备电容器，并广泛用于音频和视频设备、工业电子和电信设备、汽车电子，以及各种其他脉冲功率设备等能量和储存转化设备中。对于电容器而言，其储存的电能与电介质的k成正比，即在其他条件不变的情况下，使用高介电常数聚合物可以提升电容器的容量，缩小电容器的体积。同时，高介电常数聚合物因其优良的柔韧性、化学稳定性、生物兼容性等优势，能轻易地集成在曲面基底上，使其在生物体、流体及信息存储的应用非常广泛，例如，制备可穿戴器件、生物医学传感器、风能发电机和有机非易失性存储器等。