近年来，随着5G/6G超高速通信的推进，高分子绝缘材料在GHz乃至THz频段的介电特性成为研究重点。聚酰亚胺（PI）凭借其优异的耐热性、机械强度和薄膜成型性，被视为候选材料之一。但其分子结构中存在的极性酰亚胺基团易与水分子形成氢键，从而导致在高湿度环境下介电常数（Dk）和介电损耗因子（Df）显著上升，这一“湿度依赖”问题长期制约着PI在高频器件中的应用，相关现象此前已有报道（R. Sawada, S. Ando, J. Phys. Chem. C2024, 128, 6979–6990）。
日本东京科学大学安藤研究室的研究团队（博士生澤田梨梨花、劉浩男助理教授、安藤慎治教授）在最新发表于 Journal of Physical Chemistry B （全文开放获取）的研究中，系统解析了15种不同结构PI的吸湿行为与GHz频段介电性能之间的关系，提出了新的机制性理解，并给出了明确的分子设计策略 。
图1. 本研究的概览
图2. 本研究中的15种聚酰亚胺结构
统一规律的提出
研究表明，无论PI的分子结构差异多大，其在10 GHz下的Dk和Df随水分吸收量的变化均遵循相同的规律：
•Dk随水分含量近似线性增加；
•Df在低湿条件下呈线性上升，但在高湿度下出现弯曲上扬，并最终落在一条统一的“主曲线”上。
结果表明，高频介电性能的湿度依赖性主要取决于水分子的吸收量与聚集状态，而非PI骨架本身的差异。这一“统一曲线”的提出，为理解和预测复杂PI体系的湿度敏感性提供了普适框架。
图3. 10 GHz下PI的Dk, Df与含水率的关系
自缔合水效应的揭示
通过可变湿度FT-IR光谱的振动模式分解，研究团队区分了PI中两类吸附水：
1.结合水（bound water）——直接与酰亚胺羰基形成氢键；
2.自缔合水（self-associated water）——在已有结合水的基础上，水分子之间进一步形成氢键网络。
图4. 可变湿度FT-IR光谱的结果（部分）
关键发现是：介电损耗的急剧增加与自缔合水的生成高度相关。当自缔合水比例上升时，水分子不仅作为极性介质参与损耗，还通过“增塑作用”激活了聚酰亚胺链中酰亚胺与酯基等高偶极矩基团的局部弛豫运动。这一过程恰好与10 GHz的频率范围共振，从而显著放大了Df。
这一机制性认识超越了以往“吸水量越大→性能越差”的经验结论，首次揭示出：决定高频损耗异常上升的关键在于水的结构状态，而非仅仅是吸收量。
图5. 不同PI在FT-IR光谱中的水分子伸缩振动模式分解
图6. 三种氢键状态中水分子的拉伸振动模式示意图
分子设计的指导
基于上述发现，研究提出了降低湿度依赖的分子设计策略：
•引入氟原子或疏水基团，以减少水分吸收并削弱自缔合水的形成；
•提高链段刚性与有序堆积，以抑制因增塑作用而激活的分子链局部运动。
这一策略不仅为实现低Df聚酰亚胺提供了新的路径，也为未来的6G通信、高速电子封装与太赫兹波段应用提供了材料设计原则。研究团队未来将进一步拓展至太赫兹频段的吸收与介电行为研究，从而实现对宽带通信材料性能的更系统解析。
论文链接（全文开放获取）：
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5c05709
相关进展
东京工业大学安藤慎治教授团队：聚酰亚胺的压力诱导室温磷光增强现象
东京工业大学安藤慎治教授团队 Appl. Phys. Lett.：聚酰亚胺在6G频率范围内的介电特性
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