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聚酰亚胺/二氧化硅复合材料的制备与介电性能研究

章坚  
【摘要】:聚酰亚胺(PI)是一种高性能聚合物材料,有优秀的热稳定性,优良的力学强度,低的介电常数,而SiO_2是介电常数较低的无机材料。本论文的目的是通过将聚酰亚胺良好的综合性能与二氧化硅的特性结合起来,提高聚酰亚胺/SiO_2复合膜的介电性能和控制膜介电常数。研究聚酰亚胺/SiO_2杂化膜、复合膜的制备、结构、性能、介电常数与损耗,研究了介电模型。 首先通过溶胶-凝胶(Sol-Gel)法研究了聚酰亚胺/SiO_2杂化膜的制备、结构和性能。利用溶胶—凝胶法原理将硅酸乙酯经过水解,通过缩聚的过程实现SiO_2相与PMDA-ODA聚酰胺酸复合得到前体溶液,该前体溶液经过成膜、热亚胺化后制备成聚酰亚胺/SiO_2杂化膜。FTIR光谱证明了杂化膜中聚酰胺酸(PAA)转变为聚酰亚胺,以及硅酸乙酯水解,缩聚为Si-O-Si的网状结构。AFM和TEM检测发现杂化膜内部SiO_2成分的尺寸非常小,在聚酰亚胺分子链中形成分子均匀分散,随着SiO_2成分的增加,较少的SiO_2在聚酰亚胺基体中能形成可见的分离颗粒,这些颗粒的尺寸可以增长到微米级。TGA曲线表明杂化膜的热分解温度略低于纯聚酰亚胺,但仍然高于520℃,满足作为介电材料的要求。力学性能上,含5wt%SiO_2杂化膜的断裂强度、断裂伸长率分别从纯聚酰亚胺的87.5MPa和17.5%上升到的99.93MPa和26.8%。由于SiO_2与聚酰亚胺分子链的交联作用以及SiO_2本身的脆性,含20wt%SiO_2杂化膜的断裂强度和断裂伸长率分别降低到68.31MPa和4.3%,但是这些力学性能仍能符合做为介电材料的要求。杂化膜的介电常数随着SiO_2含量的增加而增加,从纯聚酰亚胺的3.5增加到5.4左右,表现出在一定范围内的可控性,而介电损耗仅从0.01增加到0.02左右,保持良好的稳定性。 在采用共混法制备聚酰亚胺/SiO_2纳米复合膜过程中,将经硅烷偶联剂(氨丙基三乙氧基硅烷)改性或未改性的的纳米二氧化硅粒子与聚酰胺酸溶液共混得到前体悬浮体系,经成膜、热亚胺化后得到复合膜。红外光谱证明聚酰亚胺/SiO_2复合膜中聚酰亚胺与纳米二氧化硅的复合结构,TG分析表明复合膜的热分解温度随纳米二氧化硅的含量的增加而有所升高,分解温度也都在500℃以上。TEM检测复合膜的内部结构发现,经硅烷偶联剂(氨丙基三乙氧基硅烷)表面改性纳米


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