PI/Al2O3/SiO2雜化薄膜的力學及電學性能

陳高汝++林家齊++李東平++馮+峰++楊文龍

摘要：采用原位聚合法制備摻雜無機粒子質量分數從1%～5%的PI/Si02/Al302納米雜化薄膜，通過SFM發現無機納米Al203和納米Si02顆粒在聚酰亞胺基體中有很好的相容性和分散性，其顆粒尺寸大約在100nm左右.采用萬能試驗機和寬頻介電譜分析儀研究不同濃度Al203和Si02的摻雜對PI薄膜的力學性能和電學性能的影響.當質量分數為3%的時候，雜化薄膜力學性能最佳，具有最大的拉伸強度（36.143MPa）和斷裂伸長率（10.88%）.并且在100Hz下它相比于其它含量的雜化薄膜，具有最小的介電常數（6.76）、介電損耗（0.01）和電導率（3.94xl0-12S·m"）.

關鍵詞：聚酰亞胺；納米二氧化硅；納米氧化鋁；力學性能；電學性能

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.020

中圖分類號：TM 215.3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0105-04

0 引 言

芳香族聚酰亞胺是綜合性能優越的聚合物材料，具有出色的熱學、機械和電學性能，廣泛應用于半導體工業、電子工業、傳感器以及生物醫學等領域，然而，隨著電子工業的快速發展，純的聚酰亞胺（PI）已經無法滿足實際需求.聚酰亞胺材料是一種良好的絕緣材料，通過添加無機納米粒子制備聚酰亞胺復合材料，可以提高聚酰亞胺材料的機械性能，熱性能，和電絕緣性能等，使得改性聚酰亞胺的應用領域越來越廣泛，

與PI雜化來改善性能的無機納米粒子很多，其中Si02的物理化學穩定、熱膨脹系數最小，且吸水率幾乎為零，將PI與Si02復合可降低PI基體的吸潮性，并提高材料的熱穩定性.納米Al203具有強度大，硬度高，耐熱等優點，再通過將Al203與上述二者進行復合來提高材料的力學性能，使得材料在使用過程中抗拉強度得到加強.本文采用原位聚合法在PI基體中摻雜用溶膠一凝膠法制備的Si02納米顆粒和自蔓延高溫合成法制備的Al203納米顆粒來制備PI/Si02/Al203納米雜化材料，通過以上兩種納米材料的摻雜填補基體中的缺陷，改善其力學和電學性能.

1 實驗

1.1原材料

本實驗采用的原材料為：4，4一二氨基二苯醚（ODA），均苯四甲酸二酐（PMDA）：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；N-N二甲基乙酰胺（DMAC）：分析純，天津市富宇精細化工有限公司.實驗中所用的納米Si02顆粒是通過自蔓延高溫合成法（SHS）制備；納米Al2O3顆粒溶膠一凝膠（sol-gel）法制備，并經過24h球磨.

1.2試樣制備

稱取一定量的4，4二氨基二苯醚、納米Si02和納米Al203顆粒，并加入到適量的N-N二甲基乙酰胺溶劑中超聲分散納米顆粒，然后分批加入一定量的均苯四甲酸二酐，待二酐完全加完后，在混合液中加入適量的硅烷偶聯劑，然后再高速攪拌反應4h.陳化24h后將混合液在玻璃板上進行刮膜，最后將其放入烘箱內從80～330℃梯度升溫，待冷卻到室溫后取膜，制備過程如圖1所示，

本文采用原位聚合法制備的PI/S102/Al203納米雜化薄膜.其中PI/Si02/AI203雜化薄膜中納米Si02和納米Al203的質量各占1/2，按此方法分別制備質量分數為1%、2%、3%、4%和5%的PI/Si02/Al203納米雜化薄膜.

1.3性能測試與表征

掃描電子顯微鏡（SEM）采用日立高新科技公司生產的SU8020型.微機控制電子萬能試驗機是中國科學院長春科新公司試驗儀器研究所的WDW4100型.寬頻介電譜分析儀（brordband dielec-tric specstrum-BDS）是采用德國Novocontrol公司生產的Alpha-A型.

2 結果與討論

2.1表面形貌分析

圖2是質量分數分別為1%、2%、3%、4%和5%的PI/Si02/Al203納米雜化薄膜的掃描電鏡圖片（SEM）.從圖中可以看到，當無機納米粒子的質量分數小于3%時，無機納米粒子與PI基體有很好的相容性，能夠均勻地分散在基體中，沒有出現團聚現象，通過電鏡照片，依然能夠清晰的看到基體中的無機顆粒大約在100nm左右.但是，當無機納米粒子的質量分數達到3%以上時，開始有團聚現象的出現，但是無機納米粒子的顆粒尺寸依然清晰可見.

2.2力學性能測試

圖3（a）和（b）分別為PI/Al203/Si02雜化薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率，與不同無機納米粒子摻雜量關系圖.從圖3（a）中可以看出當摻雜質量分數從1%增加到3%的時候，原位聚合法制備的PI/Al203/Si02雜化薄膜的拉伸強度隨著摻雜含量的增加而增加.當摻雜質量分數到達3%的時候，拉伸強度達到最大值為36.143MPa.當摻雜質量分數超過3%的時候，拉伸強度又隨著摻雜量的增加而減小，圖3（b）為不同無機納米粒子摻雜質量分數的PI/Al203/Si02雜化薄膜的斷裂伸長率圖.它與雜化薄膜的拉伸強度一樣，隨著無機納米粒子摻雜量的增加呈現相同的趨勢，在摻雜質量分數到達3%的時候，斷裂伸長率達到最大值為10.88%.這說明適量的無機納米粒子的摻入能增強聚酰亞胺的抗拉伸性能和斷裂伸長率，使其力學性能變好.但是當摻雜量過多時，力學性能反而下降，出現雜化薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率下降的現象.

對這種現象產生的原因主要可能是：聚酰亞胺薄膜在受到拉力后自身的線性鏈狀結構斷裂，而在適量的Al203和Si02粒子加入后，由于Si02的交聯作用，粒子均勻分散于聚酰亞胺分子內部，使得聚酰亞胺由線型結構變為網狀結構，從而使得雜化薄膜的拉伸強度變大.但是，當無機納米粒子的摻雜量較高時，無機納米粒子開始出現明顯的團聚，這不但會阻礙線型的聚酰亞胺分子變為網狀結構而且會使得聚酰亞胺分子鏈的結構變得不完全，所以當無機納米粒子的含量過大時，聚酰亞胺薄膜相應的力學性能也下降.