无机粒子改良聚酰亚胺复合材料性能的研究进展
摘要 介绍聚酰亚胺材料的主要特点及其应用领域。着重介绍了聚酰亚胺（PI）与无机粒子复合的研究进展，将PI与无机材料复合可得到集有机材料和无机材料优异性能于一体的复合材料，改善了传统PI存在的不足。无机粒子改性后的PI在不明显降低材料的热性能和力学性能的同时富集了无机小分子高模量、耐氧化、耐摩擦等性能,优化了材料的性能。
关键词 聚酰亚胺 无机粒子 复合材料 性能
一、文献综述
聚酰亚胺(PI)是一类综合性能非常优异的聚合物,由于其具有优异的耐高温、耐低温、高强高模、高抗蠕变、高尺寸稳定、低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点而被广泛应用于微电子工业和航空航天材料中。聚酰亚胺的不足之处是不溶、不熔、加工成型难、成本高等,故又限制了其使用。目前,改性聚酰亚胺主要有组成、结构改造、共聚、共混、填充等方法,其中填充改性是一种简单有效的方法,既可保持其优点又可利用复合效应改善和克服纯PI的缺陷从而提高其综合性能。在PI中加入不同的填料,可以显著提高其机械强度、硬度及耐磨性。目前常用的填料主要有无机填料、金属及金属氧化物、杂化填料等, 无机纳米材料因具有很低的热膨胀系数和较低的吸水性,故非常适合于对PI的改性[1]，本文对无机填料填充的PI的性能研究进展进行了阐述。
- Al2O3填充PI
氧化铝( Al2O3 ) 是一种重要的增强、抗磨无机材料,杂化 PI 薄膜中氧化铝颗粒的大小、分布的状态及稳定性对材料的力学性能、电学性能有非常大的影响。陈昊等[2]用纳米Al2O3 改性PI（PMDA和ODA为单体），结果表明：随纳米Al2O3含量增加，膜的热分解温度呈上升趋势，当纳米Al2O3质量分数为24%时，分解温度为608.0ensp;℃（见图1）。Alias等[3]以同样的PI为树脂基体， 在不加增容剂和改性剂的条件下引入Al2O3 ,SEM测试表明：Al2O3在基体树脂中稳定存在且无明显团聚，w（Al2O3 ）为30%时仍表现出相当好的界面结合性能。而且，他们用Al2O3 掺杂PI得到复合材料，发现材料的介电常数随Al2O3 含量的增加而增大，并且存在频率依赖性，测试表明：在1ensp;MHz下，复合材料的介电常数由3.00左右升高到5.80左右，介电损耗也呈增大的趋势。Cai Hui等[4]研究了PI/ Al2O3 体系的摩擦损耗性能，从图2看出：纳米Al2O3 的加入降低了材料的摩擦系数和体积摩擦损耗，Al2O3 质量分数3%-4%时，材料能在很高的负载（290N）下有最低的体积磨损（约2.5ensp;mm3）和最小的摩擦系数（约0.3）。周宏等[5]采用水热工艺, 以异丙醇铝为原料, 制备出虫孔状形貌的gamma;-Al2O3溶胶, 采用原位生成法合成了网状结构的 gamma;-Al2O3/聚酞亚胺的纳米复合薄膜。用透射电镜、 射线衍射仪及 红外光谱仪表征了 溶胶的形貌及结构。用扫描电 镜表征了复合薄膜的形貌。用耐电晕测试装置测试了复合薄膜的耐电晕时间。结果表明 所制备的溶胶呈虫孔状分子筛形貌, 其结构中含有氢键 ；当掺杂质量 （下同 ）高于12%时, 复合薄膜中的无机相明显形成连续的网状结构 随着掺量的增加 , 复合薄膜的耐电晕时间增加 , 掺杂质量为25% 的复合薄膜耐电晕时间是纯PI薄膜的25.4 倍。
2.SiO2填充PI
聚酰亚胺/SiO2复合薄膜的制备一般采用溶胶-凝胶法和共混法两种。Fuensp;Yunshao等[6]采用一种新的溶胶-凝胶法，在不加偶联剂的情况下制备了PI/SiO 2 复合材料，SEM测试表明：新方法得到了更细的无机粒子且两相的相容性增加。材料具有更高的热稳定性，分解温度由513ensp;℃提高到550ensp;℃ensp;[w（SiO 2 ）为3%]。紫外-可见光吸收光谱表明： 新方法制备的材料在w（SiO2）为10%时仍表现为透明，而传统方法得到透明材料时w（SiO2）不超过8%。他们还研究发现：SiO2 和PI相容性的增加使复合膜的拉伸强度和断裂伸长率提高，w（SiO2）为5%时，断裂伸长率提高了90.7%，含量继续增加，断裂伸长率有下降趋势。李艳等[7]采用红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)手段对该体系的分子结构和断裂形貌进行了表征, 研究了聚酰亚胺薄膜室温和低温(77K)力学性能。结果表明: 室温和低温(77K)下,SiO2/PI杂化薄膜的拉伸强度开始时均随SiO2 含量的增加而增加, 在含量为3%时达到最大值, 低温下杂化薄膜的拉伸强度明显高于室温。室温下, 杂化薄膜的断裂伸长率在含量为3%时达到最大值, 而低温(77K)下, 薄膜的断裂伸长率的变化没有呈现明显的规律性。Lee等 [8] 通过水溶性的聚酰胺酸盐和中孔隙SiO2 制备了相容性很好的PI/中孔隙SiO2 复合材料， 测试表明：复合材料的介电常数由纯PI的3.34下降到2.45，且具有良好的热性能和力学性能。李芳亮等[9]以甲基三乙氧基硅烷为无机前驱体制取二氧化硅，并合成了二氧化硅改性热固性聚酰亚胺复合材料，对材料的介电性能、耐电晕性能、击穿场强、热力学性能及附着力等进行了测试。结果显示：随着无机二氧化硅掺杂量的增加，介电常数和介电损耗因数都呈上升趋势，介电强度均高于有机硅浸渍漆标准（JB/T 3078-1999）;当二氧化硅掺杂4%时，耐电晕时间为36.8h，是掺杂前的7.3倍；附着力良好，为一级。
3石墨烯填充PI
