高耐熱有機硅雜化芳炔樹脂的研究進展①

唐均坤,周 燕,袁蕎龍,黃發榮

(華東理工大學 材料科學與工程學院,特種功能高分子材料及相關技術教育部重點實驗室,上海 200237)

0 引言

有機硅雜化芳炔樹脂是指一類在芳炔樹脂中引入硅元素、可固化形成高耐熱的熱固性無機雜化樹脂[1]。其典型結構如下:

Si(RR’)—C≡C—Ar-C≡Cn

有機硅雜化芳炔樹脂的誕生可追溯到20世紀60年代初,前蘇聯LUNEVA團隊[2]以對-二乙炔基苯或乙炔和氯硅烷(或鹵代硅烷)為原料,通過脫氫偶合反應制備了高熱變形溫度的黃色或深褐色樹脂,其結構如下:

他們對樹脂性能進行了表征,結果表明樹脂熔解性差,且在300 ℃也不熔融;又利用(乙)炔格氏試劑和烷基、芳基鹵化物的反應制備了含硅芳炔聚合物,同時考察了聚合物的電性能,發現該聚合物耐熱可達450～550 ℃,其電阻率高達3.1×1011～3.6×1012Ω·cm。

直到1980年代,國外SHIM和RISEN[3]報道了用氯化酞菁硅和二甲基氯硅烷分別與對-二乙炔基苯反應,制得了含硅芳炔聚合物,其結構如下:

其固化物具有良好的熱穩定性。日本ARAI等[4]對二苯基二乙氧基硅烷和二乙炔基甲基苯基硅烷的催化聚合反應進行了研究,并探討了催化聚合機制。

進入1990年代,國外有關有機硅雜化芳炔樹脂的研究報道快速增長,涉及合成反應、多種結構樹脂的制備、結構與性能表征、應用研究等。如LIU等[5]研究了氯化亞銅催化硅烷和乙炔基化合物的交叉-脫氫偶合反應,用間-二乙炔基苯和苯基硅烷制備了可溶性有機硅雜化芳炔樹脂,發現提高反應溫度可提高樹脂的分子量,但在室溫下放置幾天后樹脂就不溶了,即使在惰性氣氛中亦如此。法國CORRIU研究團隊[6-7]通過二乙炔基硅烷和芳基溴化物催化縮合、金屬炔化合物或炔格氏試劑與鹵代硅烷反應等,合成了多種有機硅雜化芳炔樹脂和多炔樹脂,并研究了反應機理,同時研究了其高溫陶瓷化效果,并將其用作高溫無機SiC陶瓷的前驅體。日本ITOH研究團隊以苯基硅烷與間-二乙炔基苯為反應原料,在氧化鎂催化下通過脫氫偶合反應合成了有機硅雜化芳炔樹脂,他們對其開展了系列研究工作[8-10],并形成MSP樹脂品種。隨后,法國BUVAT研究團隊也相繼開展研究[11],研制出易加工的有機硅雜化芳炔樹脂產品(即BLJ樹脂)。

2002年,華東理工大學在國家863項目資助下率先在國內開始有機硅雜化芳炔樹脂的設計、合成、性能表征等研究,之后對樹脂的結構與性能及其纖維增強復合材料的性能與應用等持續展開了一系列工作[12-30],成功研究并開發出一類新型結構有機硅雜化芳炔樹脂(稱之PSA樹脂),其主要分子結構如下:

研制的有機硅雜化芳炔樹脂可在170 ℃左右固化,加工工藝性好,可適用于包括樹脂轉移模塑(RTM)成型和模壓成型等在內的多種復合材料的成型工藝。如表1所示,PSA固化樹脂在室溫～500 ℃未檢測到玻璃化溫度,惰性氣體下熱分解溫度(5%失重溫度Td5)可高于600 ℃,最高可達700 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)高于80%,最高可達93%;高溫下可陶瓷化;固化樹脂在寬溫寬頻下介電性能優異且穩定;纖維增強PSA樹脂復合材料具有優良的常溫和高溫力學性能,可用作耐燒蝕防熱材料、透波材料和高耐熱絕緣材料等,在航空航天、電子電器和交通運輸等領域有很好的應用前景。

表1 PSA樹脂及其復合材料的典型性能Table 1 Typical properties of a PSA resin and its composites

1 有機硅雜化芳炔樹脂的基本特性

有機硅雜化芳炔樹脂一般是通過氯硅烷與二炔基化合物進行格氏反應制得。研究者在設計該類樹脂時,主要通過改變氯硅烷與二炔基化合物兩種單體的結構及配比來調整樹脂的分子鏈結構,從而調控樹脂的性能。在有機硅雜化芳炔樹脂的分子鏈段中,一般將通過氯硅烷引入的鏈段稱為硅烷鏈段,將通過二炔基化合物引入的鏈段稱為芳炔鏈段。鑒于各種有機硅雜化芳炔樹脂由相似的結構鏈段組成,它們具有相似的性能特點,下面就從樹脂加工性能、固化物性能和其復合材料性能等方面分別進行介紹。

1.1 有機硅雜化芳炔樹脂的加工性能

一般來說,有機硅雜化芳炔樹脂在常用的高沸點極性溶劑中具有很好的溶解性,如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等。在許多中低沸點的溶劑中也具有良好的溶解性,如四氫呋喃(THF)、甲苯、氯仿、二氯甲烷、丁酮、乙二醇二甲醚等。在實際使用過程中,綜合多方面因素,一般選擇THF、丁酮、乙二醇二甲醚等作為有機硅雜化芳炔樹脂的溶劑。

有機硅雜化芳炔樹脂具有較低的熔融溫度和熔體粘度。大多數有機硅雜化芳炔樹脂可以在130 ℃以下熔融,在熔融后的粘度可低至300～500 mPa·s左右,且可維持4 h以上,適用于樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝。通過在分子鏈中引入不對稱結構,樹脂(如甲基乙烯基硅雜化芳炔樹脂和甲基硅雜化芳炔樹脂)的熔融溫度可以接近或低于室溫,即在室溫下為液體或粘稠狀液體。此外,通過分子結構設計,還可以提高樹脂的熔體粘度,使得樹脂可適用于模壓成型工藝。

與其他高耐熱熱固性樹脂相比,有機硅雜化芳炔樹脂的具有較低的固化溫度。該類樹脂的固化是通過其分子結構中的炔基發生交聯反應而進行的,其固化溫度均低于200 ℃,一般在170 ℃左右即可發生固化反應,且170 ℃下凝膠時間在30～60 min。大多數有機硅雜化芳炔樹脂的熔融溫度在130 ℃以下,擁有較寬的加工窗口,寬度可達40～140 ℃。由此可見,有機硅雜化芳炔樹脂具有十分優異的加工性能。

值得一提的是,有機硅雜化芳炔樹脂在固化過程中沒有小分子釋放,這是由炔基反應的基本原理決定的。這一特性將有利于樹脂固化物或者復合材料的高質量成型。此外,該類樹脂的固化放熱焓較高,一般可達200～600 J/g,故應用過程中有必要對樹脂的固化工藝進行優化。

有機硅雜化芳炔樹脂的固化溫度一般在160～200 ℃之間,遠高于室溫,因此樹脂在室溫下的儲存穩定性較好。研究表明樹脂在室溫下儲存12個月后,樹脂的化學結構基本不變,固化特性也基本保持恒定,盡管樹脂粘度有少許升高,凝膠時間略有縮短,加工窗口略向高溫段偏移,但窗口大小變化不明顯,其復合材料性能基本保持不變。此外,低溫儲存(4 ℃)的樹脂穩定性更好。

1.2 有機硅雜化芳炔樹脂固化物性能

有機硅雜化芳炔樹脂固化后,形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物,固化物的耐熱性能非常優異。通過熱重分析(TGA)可知,樹脂固化物在氮氣氣氛中5%熱失重溫度(Td5)一般均高于600 ℃,最高達700 ℃左右,而800 ℃殘留率(Yr800)也均高于88%,最高可達93%左右。在空氣氣氛中,樹脂固化物的Td5一般為500～600 ℃,1000 ℃殘留率約為20%～ 30%。通過熱機械分析(DMA)測試結果可知,大部分有機硅雜化芳炔樹脂固化物在500 ℃以下沒有玻璃化轉變。有機硅雜化芳炔樹脂固化物優異的耐熱性主要由于其具有較高的交聯密度,以及其交聯體系中含有大量的芳環和硅原子。

有機硅雜化芳炔樹脂固化物較高的交聯密度以及分子結構中較少的極性基團,使其力學性能不高。一般來說,樹脂固化物室溫下的彎曲強度為20～40 MPa,彎曲模量為2.5～3.5 GPa。

有機硅雜化芳炔樹脂固化物在寬溫寬頻范圍內均具有十分優異的介電性能。材料介電性能是指其在電場作用下,表現出對靜電的儲存和損耗的性質,通常用介電常數和介電損耗來表示。有機硅雜化芳炔樹脂由于分子結構中含量大量的硅原子和非極性基團,所以其固化物具有十分優異的介電性能。其介電常數在很寬的頻率范圍內(7～19 GHz)均具有較低的介電常數(2.6～3.4)和較低的介電損耗角正切值(10-3數量級)。不僅如此,該類樹脂固化物在很寬的溫度范圍內(室溫～500 ℃)也能保持此優異的介電性能。

有機硅雜化芳炔樹脂固化物在高溫下還可裂解形成C-SiC陶瓷材料,且陶瓷化率可達80%以上,可望作為一種高陶瓷化率的前驅體使用。一般來說,該樹脂固化物在800 ℃可形成無定形陶瓷材料,而在1000 ℃以上則可形成由β-SiC納米晶粒、類石墨碳與無定形Si-C結構組成的陶瓷材料。

1.3 有機硅雜化芳炔樹脂復合材料性能

作為一種高耐熱的樹脂,有機硅雜化芳炔樹脂一般用來制備復合材料,根據用途可以分為透波復合材料和耐燒蝕復合材料。

作為透波復合材料時,該類樹脂一般用來制備石英纖維增強復合材料。研究表明石英纖維增強有機硅雜化芳炔樹脂復合材料的介電性能十分優異,其在7～19 GHz和室溫～500 ℃的寬溫寬頻范圍內,材料介電常數在3.4左右,而介電損耗角正切值在10-3數量級。石英纖維平紋布增強有機硅雜化芳炔樹脂復合材料(RTM成型)在室溫和500 ℃的彎曲強度分別為200 MPa和100 MPa左右,彎曲模量均為20 GPa左右,剪切強度分別為16 GPa和9 GPa左右,壓縮強度分別為130 MPa 和60 MPa 左右。

作為耐燒蝕復合材料時,該類樹脂一般用來制備碳纖維增強復合材料。研究表明T300碳纖維平紋布增強有機硅雜化芳炔樹脂復合材料在室溫和400 ℃下的彎曲強度一般分別為280 MPa和230 MPa左右,層間剪切強度為18 MPa和15 MPa左右; T700單向碳纖維增強有機硅雜化芳炔樹脂復合材料在室溫和400 ℃下的彎曲強度分別為2000 MPa和1000 MPa左右,層間剪切強度為50 MPa和20 MPa左右。可以看出復合材料具有高的高溫力學性能保持率。

2 典型有機硅雜化芳炔樹脂的性能

在前期研究中,通過引入不同類型硅烷結構,即在樹脂硅烷鏈段的硅側基上引入不同取代基,制得不同硅側基的有機硅雜化芳炔樹脂,如二甲基硅雜化芳炔樹脂、甲基硅雜化芳炔樹脂,以及甲基乙烯基硅雜化芳炔樹脂等。此外,還可以通過引入不同類型二炔基化合物,在樹脂主鏈引入不同結構的芳炔鏈段,如在芳炔鏈段中引入芳醚結構得到有機硅雜化芳醚芳炔樹脂,引入硫醚結構得到有機硅雜化硫醚芳炔樹脂等。這些硅雜化芳炔樹脂因硅烷鏈段或芳炔鏈段結構上的差異而具有不同的加工或熱學、力學性能,但均具有優異的介電性能,可適用于不同的應用場合。下面分別介紹幾種典型的不同結構有機硅雜化芳炔樹脂的性能。

2.1 二甲基硅雜化芳炔樹脂

二甲基硅雜化芳炔(PSA-M)樹脂是一種硅烷鏈段的硅側基為兩個甲基的硅雜化芳炔樹脂。典型PSA-M樹脂的分子結構式[31]:

PSA-M樹脂在室溫下為棕黃色固體,其熔融溫度約為130 ℃,145 ℃下粘度可低至500 mPa·s以下,起始固化溫度為170 ℃,在170 ℃的凝膠時間為60 min,適用于模壓成型工藝。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSA-M樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為642 ℃,800 殘留率(Yr800)為91.4%,在500 ℃以下未出現玻璃化轉變。PSA-M樹脂澆注體室溫下的彎曲強度為26.7 MPa,彎曲模量為2.97 GPa。PSA-M樹脂的T300碳纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為369 MPa,彎曲模量為38.8 GPa。

2.2 甲基硅雜化芳炔樹脂

甲基硅雜化芳炔(PSA-H)樹脂是一種硅烷鏈段的硅側基為一個甲基和一個硅氫基團的硅雜化芳炔樹脂。典型PSA-H樹脂的分子結構式[32]:

PSA-H樹脂在室溫下為橙紅色粘稠狀樹脂,其熔融溫度低于室溫,70 ℃下粘度可低至450 mPa·s左右,且能保持8 h以上,起始固化溫度為150 ℃,凝膠時間為50 min左右,適用于RTM成型工藝。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSA-H樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為673 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為90.8%,在500 ℃以下未出現玻璃化轉變。PSA-H樹脂的T300碳纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為169.2 MPa,彎曲模量為35.9 GPa。

2.3 甲基乙烯基硅雜化芳炔樹脂

甲基乙烯基硅雜化芳炔(PSA-V)樹脂是一種硅烷鏈段的硅側基為一個甲基和一個乙烯基的硅雜化芳炔樹脂。典型PSA-V樹脂的分子結構式[33]:

PSA-V樹脂在室溫下為橙紅色粘稠狀樹脂,其熔融溫度低于室溫,105 ℃下粘度可低至430 mPa·s左右,且在8 h內逐漸增加至570 mPa·s,起始固化溫度為170 ℃左右,適用于RTM或模壓成型工藝。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSA-V樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為613 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為89.1%,在500℃以下未出現玻璃化轉變。PSA-V樹脂澆注體室溫下的彎曲強度為24.7 MPa,彎曲模量為2.78 GPa。PSA-V樹脂的高強玻璃纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為78.6 MPa,彎曲模量為16.8 GPa。

2.4 有機硅雜化芳醚芳炔樹脂

有機硅雜化芳醚芳炔(PSEA)樹脂是一種主鏈含芳醚結構的硅雜化芳炔樹脂。典型PSEA樹脂的分子結構式[34-37]:

PSEA樹脂在室溫下為棕黃色固體,其軟化點為90 ℃,130 ℃下粘度約為8000 mPa·s左右,且可保持4 h左右,起始固化溫度為180 ℃左右,在180℃的凝膠時間為38 min,適用于模壓成型工藝。該樹脂固化后可形成表面光亮、內部致密的樹脂固化物。PSEA樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為531 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為76%,在450 ℃以下未出現玻璃化轉變。由于引入了芳醚鏈段,PSEA樹脂的力學性能比其他硅雜化芳炔樹脂高很多,其澆注體室溫下的彎曲強度為54.3 MPa,彎曲模量為2.6 GPa。PSEA樹脂的高強玻璃纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為518 MPa,彎曲模量為51.4 GPa,層間剪切強度為30.8 MPa。

2.5 有機硅雜化硫醚芳炔樹脂

有機硅雜化含硫芳炔(PSESA)樹脂是一種主鏈含有硫醚結構的硅雜化芳炔樹脂。典型PSESA樹脂的分子結構式[38,39]:

PSESA樹脂在室溫下為棕色固體樹脂,其軟化點約為100 ℃,起始固化溫度為160 ℃,適用于模壓成型工藝。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSESA樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為498 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為78.6%,在330 ℃以下未出現玻璃化轉變。PSESA樹脂澆注體室溫下的彎曲強度為34.8 MPa,彎曲模量為2.3 GPa。PSESA樹脂的T300碳纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為284.6 MPa,彎曲模量為48.6 GPa,層間剪切強度為15.6 MPa。

2.6 有機硅雜化吡啶芳炔樹脂

有機硅雜化吡啶芳炔(PSPPY)樹脂是一種主鏈含有吡啶結構的硅雜化芳炔樹脂。典型PSPPY樹脂的分子結構式[24-60,40]:

PSPPY樹脂在室溫下為黃紅色粘稠狀樹脂,起始固化溫度為150℃。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSPPY樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為500 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為77%,在400 ℃以下未出現玻璃化轉變。PSPPY樹脂澆注體室溫下的彎曲強度為58.7 MPa,彎曲模量為2.6 GPa。PSPPY樹脂的T300碳纖維布增強復合材料在室溫下的彎曲強度為646.6 MPa,彎曲模量為61.2 GPa,層間剪切強度為41.7 MPa。

2.7 有機硅雜化亞甲基芳炔樹脂

有機硅雜化亞甲基芳炔(PSMA)樹脂是一種主鏈含有亞甲基結構的硅雜化芳炔樹脂。典型PSMA樹脂的分子結構式[41,42]:

PSMA樹脂在室溫下為橙紅色固體樹脂,其軟化點在130 ℃左右,起始固化溫度為170℃。該樹脂固化后可形成表面光亮、棕褐色致密的樹脂固化物。PSMA樹脂固化物在氮氣氣氛下5%熱失重溫度(Td5)為493 ℃,800 ℃殘留率(Yr800)為61.2%,在400 ℃以下未出現玻璃化轉變。室溫下,PSMA樹脂澆注體的彎曲強度為42.1 MPa,彎曲模量為2.3 GPa。室溫下,PSMA樹脂的T300碳纖維布增強復合材料的彎曲強度為381.9 MPa,彎曲模量為52.2 GPa,層間剪切強度為23.2 MPa。

綜合分析上述幾種有機硅雜化芳炔樹脂,可以看出有機硅雜化芳炔樹脂具有優良的加工性能和耐高溫性能,但其性能與樹脂的分子結構密切相關。其中,樹脂硅烷鏈段的硅側基與樹脂的加工性能關系密切,即不對稱硅側基有利于提升樹脂的加工性能,可使得樹脂的熔融溫度和熔融體粘度降低。例如對稱硅側基的二甲基硅雜化芳炔樹脂熔點高達130 ℃,而不對稱硅側基的甲基乙烯基硅雜化芳炔樹脂和甲基硅雜化芳炔樹脂的熔融溫度卻低于室溫,在室溫下表現為粘稠狀液體。此外,有機硅雜化芳炔樹脂固化后交聯密度高,且極性較低,與雙馬來酰亞胺樹脂、環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等相比,其力學性能不高,但耐熱(分解溫度)是最高的。針對其力學性能低的問題,通過在樹脂主鏈中引入極性基團,如芳醚結構[22-25]、硫醚結構[26]或吡啶結構[27],分別得到如上所述的有機硅雜化芳醚芳炔樹脂、有機硅雜化硫醚芳炔樹脂以及有機硅雜化吡啶芳炔樹脂,其力學性能均得到較大幅度的提升。這些研究可以為有機硅雜化芳炔樹脂力學性能的優化提供改進思路。

3 有機硅雜化芳炔樹脂的應用

如上所述,有機硅雜化芳炔樹脂的熱穩定性和介電性能十分優異,目前主要應用于耐燒蝕防熱材料、寬頻高溫透波材料和耐熱結構材料等領域。

3.1 耐燒蝕防熱材料

以有機硅雜化芳炔樹脂為基體,碳布為增強材料,用模壓成型工藝及RTM成型工藝制備樹脂基復合材料(CF/PSA)。采用氧-乙炔燒蝕試驗測得有機硅雜化芳炔樹脂復合材料的線燒蝕率為0.019 mm/s,質量燒蝕率為0.011 9 g/s(表2)。可見,有機硅雜化芳炔樹脂具有十分優異耐燒蝕性能,且得到產品燒蝕表面均勻平整,即使與公認耐燒蝕性能十分優異的鋇酚醛樹脂相比也有顯著的優勢,尤其質量燒蝕率比酚醛樹脂復合材料(0.0436 g/s)低得多。

表2 短切T700碳纖維增強PSA樹脂復合材料 燒蝕性能(氧乙炔燒蝕試驗)Table 2 Ablative properties of T700 carbon fiber reinforced PSA resin composites(Oxy-acetylene ablative test)

有機硅雜化芳炔樹脂固化物在高溫下可裂解形成C-SiC陶瓷材料,且陶瓷化率可達80%以上。這使得該類樹脂不但可以作為高陶瓷化率的前驅體使用,還可以在作為燒蝕材料使用時發揮高溫陶瓷化特性,從而大幅提高其質量燒蝕率,表2數據已說明這種優勢。應用實驗證明有機硅雜化芳炔樹脂可適用燒蝕復合材料構件的制造。

3.2 寬頻高溫透波材料

采用有機硅雜化芳炔樹脂為基體,用石英纖維布為增強材料,用模壓成型工藝制備的石英纖維增強有機硅芳炔樹脂基復合材料在X波段具有優良的透波性能,在Kα波段也顯示優異特性。在50～500 ℃顯示介電常數能維持在3.4左右,介電損耗維持在10-3～10-4范圍內(表3)。

表3 模壓成型PSA樹脂基復合材料的介電性能(測試頻率為7～19 GHz)Table 3 Dielectric properties of PSA resin composite manufactured by compression molding(Test frequency: 7～19 GHz)

采用RTM成型工藝,用有機硅雜化芳炔樹脂和石英纖維布制備的復合材料,測定并考察復合材料的介電性能,研究結果如表4所示,可見RTM成型的復合材料同樣具有優良的介電性能。用RTM成型的有機硅雜化芳炔樹脂石英纖維復合材料天線罩可滿足應用要求。

表4 RTM成型PSA樹脂基復合材料的介電性能(測試頻率為7～18 GHz)Table 4 Dielectric properties of PSA resin composites manufactured by RTM(Test frequency:7～18 GHz)

3.3 耐熱結構材料等

有機硅雜化芳炔樹脂具有優異的耐熱性能,可以用作耐熱結構材料。用RTM成型工藝制備了碳纖維增強有機硅雜化芳炔樹脂末修典型構件,采用石英燈對構件進行加熱,同時對構件施加靜力載荷,以此來考核構件的強度是否滿足要求。研究表明在550～600 ℃環境中,施加靜力載荷,構件無破壞跡象,結構變形小,精度達到預期效果,可滿足使用要求。

電子產品的高性能化對電子材料的性能提出了新的要求,尤其耐熱性,如新一代電子元器件中的覆銅板需高耐熱,有機硅雜化芳炔樹脂材料是一種優選的材料。用PSA樹脂與二氧化硅纖維布制得預浸料,然后模壓制得復合材料板,同時與銅箔復合模壓制得覆銅板,對所制得的覆銅板和復合材料板(試樣大小5 mm×5 mm)分別進行288 ℃的耐熱試驗。試驗結果表明PSA樹脂具備優異耐熱性,二氧化硅纖維布增強PSA復合材料及其覆銅板可在288 ℃使用。有機硅雜化芳炔樹脂可望用于高端集成電路載板、高模量高密度集成板、伺服器電路板、高頻通訊電路板,以及集成電路的封裝等方面。

4 結束語

硅是地球上最豐富的資源元素之一,價廉物美,其合理利用已成為人們追求的目標。炔類化合物相對烯類化合物而言種類比較少,對其研究和利用不多,是有待于開發的領域。利用硅與芳炔結合制備有機硅雜化芳炔樹脂,結合了有機材料和無機材料特性,具有優異的耐熱性和介電性能、良好的加工性能、機械性能和陶瓷化性能。此外,該類樹脂通過結構設計,可制成多種結構的樹脂,可形成系列具有不同性能的樹脂;同時,該樹脂還可與許多活性物質反應,制成結構、性能范圍更廣的材料體系,可滿足多樣化使用要求。可見,有機硅雜化芳炔樹脂展現出寬廣的發展前景。與此同時,有機硅雜化芳炔樹脂發展也面臨著挑戰:

(1)與烯類化合物相比,炔類化合物開發較少,種類和產量都不多,給樹脂發展帶來了挑戰。因此,研究并開發新型炔類化合物,進而合成新型有機硅雜化芳炔樹脂,是未來該類樹脂應用推廣和技術發展的方向之一。

(2)有機硅雜化芳炔樹脂的固化反應多而復雜,業已證明樹脂存在多種反應,包括環三聚反應、偶合反應、Diels-Alder加成反應等,其反應機理及反應控制技術有待深入研究。因此,研究有機硅雜化芳炔樹脂的固化反應,調控其固化過程及固化物結構及性能,是未來有機硅雜化芳炔樹脂基礎研究中具有挑戰性的課題之一,將有助于制得結構多樣化的新型樹脂,并可與許多其他樹脂或活性物質反應,制成結構、性能范圍更廣的材料體系,可滿足多樣化使用要求,從而為航空航天領域提供更多的高性能材料。

(3)耐高溫的有機硅雜化芳炔樹脂雖然作為高溫功能材料可獲得廣泛的應用,但是與其他耐高溫熱固性樹脂如聚酰亞胺樹脂相比,其力學強度不足以滿足承力結構件的使用要求。因此,提升有機硅雜化芳炔樹脂材料的力學性能成為該類樹脂的研究方向之一。通過改進樹脂分子結構(主鏈結構)、交聯網絡結構(固化過程控制等)及共混共聚等方法,可望獲得綜合性能更好的有機硅雜化芳炔樹脂材料,促進我國耐高溫樹脂的發展。