籠型倍半硅氧烷-聚酰亞胺復(fù)合薄膜的制備及性能研究.pdf

1、間接驅(qū)動慣性約束聚變物理實驗（Inertial Confinement Fusion Physics Experiment,簡稱ICF）需要在低溫條件（<77K）下仍然具有良好力學(xué)性能的厚度約為500nm的超薄膜材料。在商用薄膜不能滿足實驗要求的情況下，本課題組開展了聚酰亞胺及其復(fù)合薄膜的制備工作并研究了其在低溫條件下的力學(xué)性能。
　　籠型倍半硅氧烷在上世紀(jì)五十年代被偶然合成成功以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善，已經(jīng)因其獨特的有機/無

2、機復(fù)合結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能受到大家廣泛關(guān)注。芳香型聚酰亞胺因其杰出的各項性能被列為21世紀(jì)重要的功能性高分子材料。本課題通過將籠型倍半硅氧烷納米粒子引入到芳香型聚酰亞胺母體中，能夠有效地改善聚酰亞胺薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能等，為靶用薄膜材料提供有意義的技術(shù)儲備。
　　為了更好加工復(fù)合材料薄膜，需要設(shè)計精度高、穩(wěn)定性好的模具。因此，在本論文中，首先進行了實驗?zāi)＞叩脑O(shè)計、調(diào)試及應(yīng)用。再通過溶劑遴選，

3、選擇出合適的籠型倍半硅氧烷用溶劑，并通過溶膠凝膠法分別制備得到了兩種聚酰亞胺復(fù)合薄膜材料，通過傅里葉紅外光譜分析、熱重分析、薄膜拉伸斷面掃描電子顯微鏡分析、常溫及低溫下的力學(xué)性能分析對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進行了表征和測試。
　　本論文主要內(nèi)容包括：
　　一、通過與外協(xié)機械加工單位合作，共同設(shè)計、調(diào)試并應(yīng)用了微調(diào)金屬水平臺、薄膜亞胺化用夾持框、低溫（77K）力學(xué)性能測試附件等；
　　二、通過溶劑的溶解性能測試，選擇了合適的溶

4、劑對市售籠型倍半硅氧烷進行溶解。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，除試劑說明書中所列溶解性能良好的試劑外，非質(zhì)子極性有機溶劑對籠型倍半硅氧烷的溶解情況同樣出色，這為后期的聚酰亞胺復(fù)合薄膜的制備提供了極大便利；
　　三、以均苯四甲酸二酐（PMDA）、對二氨基二苯醚（ODA）、八-γ-環(huán)氧甘油基丙基籠型倍半硅氧烷(G-POSS)為反應(yīng)原料，N-甲基吡咯烷酮（NMP）為反應(yīng)溶劑，通過溶膠凝膠法（sol-gel polymerization）制備得到了復(fù)

5、合材料薄膜。所得到的復(fù)合薄膜表現(xiàn)出比純 PMDA-ODA型聚酰亞胺薄膜（PPI）更好的力學(xué)性能，但熱穩(wěn)定性有所下降。通過紅外光譜（FT-IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）表征了其結(jié)構(gòu)與薄膜拉伸斷面形貌，以熱重分析（TGA）和力學(xué)性能分析研究了薄膜的耐熱性與常溫和低溫（77K）下的力學(xué)性能。測試結(jié)果表明：G-POSS含量較低的復(fù)合薄膜中，填充粒子的分散效果較好。在G-POSS摻雜量低于5wt％時，該復(fù)合薄膜耐熱性保持穩(wěn)定，同時在常溫和低溫下

6、都表現(xiàn)出優(yōu)于純PPI膜的拉伸強度，其中在G-POSS摻雜量為3wt%時，復(fù)合薄膜的拉伸強度為239.38MPa(77K)，比純PPI膜提升了約17%。在常溫下且籠型倍半硅氧烷含量為5wt%時,聚酰亞胺復(fù)合膜的拉伸強度達到101MPa，比純PPI膜提升了約25%。
　　四、以3,3’,4,4’-聯(lián)苯四甲酸二酐（BPDA）、對二氨基二苯醚（ODA）、八-γ-環(huán)氧甘油基丙基籠型倍半硅氧烷(G-POSS)為原料，以N-甲基吡咯烷酮（NMP

7、）為反應(yīng)溶劑，通過溶膠凝膠法（sol-gel polymerization）制備得到BPI型的復(fù)合薄膜材料。通過紅外光譜（FT-IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）表征了其結(jié)構(gòu)與薄膜拉伸斷面形貌，以力學(xué)性能分析研究了薄膜常溫和低溫（77K）下的力學(xué)性能。所得到的復(fù)合薄膜強度比純BPI聚酰亞胺薄膜強度更大。但力學(xué)性能提升效果要較劣于PPI型聚酰亞胺薄膜。其中在G-POSS摻雜量為1wt%時，復(fù)合薄膜的拉伸強度為320MPa(77K)，比純BP