PI/Al2O3/SiO2雜化薄膜的力學(xué)及電學(xué)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(jī)粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%～5%的PI/Si02/Al302納米雜化薄膜，通過SFM發(fā)現(xiàn)無機(jī)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(yàn)機(jī)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(xué)性能和電學(xué)性能的影響.當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的時(shí)候，雜化薄膜力學(xué)性能最佳，具有最大的拉伸強(qiáng)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(shù)（6.76）、介電損耗（0.01）和電導(dǎo)率（3.94xl0-12S·m"）.

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺；納米二氧化硅；納米氧化鋁；力學(xué)性能；電學(xué)性能

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.020

中圖分類號：TM 215.3

文獻(xiàn)標(biāo)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(yōu)越的聚合物材料，具有出色的熱學(xué)、機(jī)械和電學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)、電子工業(yè)、傳感器以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，然而，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，純的聚酰亞胺（PI）已經(jīng)無法滿足實(shí)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(jī)納米粒子制備聚酰亞胺復(fù)合材料，可以提高聚酰亞胺材料的機(jī)械性能，熱性能，和電絕緣性能等，使得改性聚酰亞胺的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，

與PI雜化來改善性能的無機(jī)納米粒子很多，其中Si02的物理化學(xué)穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)最小，且吸水率幾乎為零，將PI與Si02復(fù)合可降低PI基體的吸潮性，并提高材料的熱穩(wěn)定性.納米Al203具有強(qiáng)度大，硬度高，耐熱等優(yōu)點(diǎn)，再通過將Al203與上述二者進(jìn)行復(fù)合來提高材料的力學(xué)性能，使得材料在使用過程中抗拉強(qiáng)度得到加強(qiáng).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(bǔ)基體中的缺陷，改善其力學(xué)和電學(xué)性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

本實(shí)驗(yàn)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(tuán)化學(xué)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(xì)化工有限公司.實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(lián)劑，然后再高速攪拌反應(yīng)4h.陳化24h后將混合液在玻璃板上進(jìn)行刮膜，最后將其放入烘箱內(nèi)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(zhì)量各占1/2，按此方法分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)的SU8020型.微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)是中國科學(xué)院長春科新公司試驗(yàn)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(chǎn)的Alpha-A型.

2 結(jié)果與討論

2.1表面形貌分析

圖2是質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dāng)無機(jī)納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時(shí)，無機(jī)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(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，通過電鏡照片，依然能夠清晰的看到基體中的無機(jī)顆粒大約在100nm左右.但是，當(dāng)無機(jī)納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%以上時(shí)，開始有團(tuán)聚現(xiàn)象的出現(xiàn)，但是無機(jī)納米粒子的顆粒尺寸依然清晰可見.

2.2力學(xué)性能測試

圖3（a）和（b）分別為PI/Al203/Si02雜化薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，與不同無機(jī)納米粒子摻雜量關(guān)系圖.從圖3（a）中可以看出當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到3%的時(shí)候，原位聚合法制備的PI/Al203/Si02雜化薄膜的拉伸強(qiáng)度隨著摻雜含量的增加而增加.當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)3%的時(shí)候，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值為36.143MPa.當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%的時(shí)候，拉伸強(qiáng)度又隨著摻雜量的增加而減小，圖3（b）為不同無機(jī)納米粒子摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度一樣，隨著無機(jī)納米粒子摻雜量的增加呈現(xiàn)相同的趨勢，在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)3%的時(shí)候，斷裂伸長率達(dá)到最大值為10.88%.這說明適量的無機(jī)納米粒子的摻入能增強(qiáng)聚酰亞胺的抗拉伸性能和斷裂伸長率，使其力學(xué)性能變好.但是當(dāng)摻雜量過多時(shí)，力學(xué)性能反而下降，出現(xiàn)雜化薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降的現(xiàn)象.

對這種現(xiàn)象產(chǎn)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(jié)構(gòu)斷裂，而在適量的Al203和Si02粒子加入后，由于Si02的交聯(lián)作用，粒子均勻分散于聚酰亞胺分子內(nèi)部，使得聚酰亞胺由線型結(jié)構(gòu)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得雜化薄膜的拉伸強(qiáng)度變大.但是，當(dāng)無機(jī)納米粒子的摻雜量較高時(shí)，無機(jī)納米粒子開始出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚，這不但會阻礙線型的聚酰亞胺分子變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而且會使得聚酰亞胺分子鏈的結(jié)構(gòu)變得不完全，所以當(dāng)無機(jī)納米粒子的含量過大時(shí)，聚酰亞胺薄膜相應(yīng)的力學(xué)性能也下降.