介电材料是电容器的重要基础材料，几乎存在于每种电子电路中。电容器的工作原理是通过将相反的电荷利用绝缘电介质材料隔离，从而造成电荷的累积储存电能。各种电容器中的介电电容器是特殊的能量存储设备（例如电池），因为他们可以以极高的速度释放存储的能量（以微秒为单位）来产生强烈的功率脉冲。这种能力适应于众多脉冲功率应用，例如医疗除颤仪器，横向激励的大气压激光器和先进的电磁系统，在这些系统中，电容器可以把为低功率、长时间输入转换为高功率、短时间输出。最近，与可再生能源有关的新兴产品对介电电容器提出了很高的要求，例如混合动力汽车（HEV），并网光伏发电和风力涡轮发电机等，这是由于介电电容器是将收集/存储的直流电（DC）转换为交流电（AC）的重要电子元件。
对介电电容器高温能力的迫切需求来自于航空电子，汽车工业，地下油气勘探和高级推进系统等众多高功率，高电流和高温应用领域，例如在混合动力汽车中，引擎罩下的温度可能超过℃。电力逆变器是混合动力汽车的重要组成部分，用于把电动汽车电池提供的直流电源转换成驱动牵引电机所需的交流电源，而电容器正是构成电力逆变器的主要元件，例如在丰田Prius混合动力车中，电容器约占逆变器40%的成本和23%的重量。当前在电力逆变器中使用的主流电容器使用双轴取向聚丙烯（BOPP）作为电介质。但是BOPP的最高工作温度是约℃，与混合动力汽车的环境温度（℃）不匹配，这就需要使用主动冷却系统或重新设计和制造所有电子装置和电路。制造商目前采用的策略是除发动机散热器外，引入约65℃的二次冷却系统用于使电力逆变器稳定运行。该辅助冷却回路带来了额外的重量，体积和电力系统设计的复杂性，这些因素均不利于混合动力车的制造成本和性能。
在其他应用领域中，电子设备的局部温度也往往高于BOPP的最高工作温度，而创造冷却的物理空间可能会非常昂贵或不太可能。例如开发电动飞机需要电力电子设备靠近涡轮发动机，发电机和电动机附近；传感电子设备需要放置在火箭和航空飞机的外壳附近等，均需要高温介电材料（最高℃）的支持。在某些情况下，冷却可能不可能实现，例如在地下石油和天然气勘探中，温度可能超过℃，并且加热不限于钻头中的电子元件，在这种环境条件下，冷却效果不佳，电子系统必须在高温下运行。为了满足上述的苛刻要求，对介电材料的高温性能的研究成为国内外的研究热点，重点研究方向是聚合物介电材料，聚合物纳米复合材料和陶瓷材料，因为他们是目前最重要和最有前途的介电材料类别。本文概述了当前商用的高温聚合物介电材料，并说明其优势和潜力，以及一些需要解决的技术问题。
图1新兴应用中对高温介电电容器的要求很高，包括混合动力汽车，风力发电机，航空工业，地下油气勘探等
聚合物电介质因其高击穿强度，低质量密度，低成本生产，柔韧性和易加工性等优点，在电容器应用方面具有巨大的潜力。表1给出了几种具有商用价值的高温聚合物介电材料的性能参数。
表1几种具有商用价值的高温聚合物介电材料
优质的高温介电材料是先进电子技术发展和极端环境条件下运行的电力系统的关键所在。虽然经历了过去几年令人振奋的发展，但是当前可选材料仍有很多不足之处。高温介电材料的未来发展应结合更好的基础知识，合理的材料设计以及可扩展的合成和加工方法。在这种情况下，挑战和机遇可能包括但不限于以下几个方面。
为了获得较高的热阻，从而在高温下具有良好的介电稳定性，大多数高温聚合物介电材料在骨干中包含芳族或杂芳族分子单元，但是这些电子共轭结构会将杂质态引入能带隙，这可能会对聚合物介电材料的绝缘特性产生不利影响。与芳族或杂芳族分子单元的存在有关的另一个问题是对金属化膜电容器的自清除能力产生影响。这样，应该对介电聚合物的骨架结构进行新的分子设计，以平衡尺寸和热稳定性并达到理想的绝缘性能。
在高温和高电场下，聚合物介电材料的传导损耗都很大。例如，当Kapton的弱场耗散因数低于0.1％时，在°C和MV/m的电场下，传导损耗高达24％。散发的能量表现为焦耳热，并可能导致设备的热失控。能量耗散与各种取决于温度和场的传导有关。为了抑制这些传导，电极电介质界面处的高势垒材料和深能量陷阱可能需要开发。为此，应该考虑聚合物介电膜的表面功能化以及分子工程。可以通过将无机单元掺入聚合物中来产生深陷阱，以形成有机-无机杂化和复合结构。
当前的高温聚合物介电材料具有相对较低的εr值，即低于4，这严重限制了能量存储密度。为了解决这个问题，已经进行了复合系统的拓扑结构工程和合理的分子修饰，两种技术在高温和高电场下，都显示出了高介电常数和低损耗因数的特点。但是这些特定领域的研究还处于起步阶段，而这些新材料的大规模生产仍然是一个挑战。目前仍然需要进行大量研究来了解复杂的结构之间的关系，例如高温度和高施加电场下，官能团的极性与介电常数/损耗的关系。
导热系数也是高温聚合物介电材料的限制因素，因为工作温度由导热能力决定。然而大多数聚合物具有相对较低的热导率。近年来，利用工程化链间相互作用的技术制备出了无定形聚合物共混物，具有高达1.5W/(m·K）的高导热率，预期将这种技术推广到高温聚合物介电材料。由于存在各种类型的具有高导热性和良好绝缘性的纳米填料的特性，该技术能够提高聚合物电介质的导热系数。该技术的实现还取决于填料的纳米形态，例如关于纳米填料在聚合物基质中的空间构成。
对于无机介电材料，较大的带隙和高极化率的协同效应是有利的。此外，多尺度结构——范围从原子尺度的缺陷到纳米结构（例如弛豫铁电体中的纳米极性区域），到诸如多层设计之类的微观/宏观结构的设计等，在调整储能性能方面起着至关重要的作用。因此，作为电介质材料，高温无机材料仍有巨大的实验设计空间。我们希望通过简便的方法制备出微结构和良好的综合储能性能的高温无机材料。随着我们生产出高质量材料并将其整合到新颖产品中的能力不断提高，自支撑无机介电薄膜的生产为多功能设备开辟了道路。对于批量生产多层陶瓷电容器的介电陶瓷，应制定合理的设备设计策略，例如结构设计，以优化电容器的性能。同时介电陶瓷的内部电极，尤其是低成本金属（例如镍），也应考虑在内。
总之，我们正在见证材料科学的突破性发展，包括最近在高性能方面有重大发展的聚合物介电材料、聚合物纳米复合材料和陶瓷材料的基础研究。高性能介电材料的发展将彻底改变用于恶劣环境的储能设备。