摘要
聚酰亚胺(PI)作为一种高性能材料，因其优异的力学性能、热稳定性、良好的光电性能等，已被广泛地应用在绝缘、新能源、航空、航天、激光、微电子等高分子材料领域。然而，芳香族聚酰亚胺特殊的结构易形成电荷转移络合物和链的致密堆积，造成其较差的加工性能、低透明度和高介电常数，极大限制了它们在先进微电子和光电子学中的应用。因此，设计开发高透明、易溶解、综合性能优异的聚酰亚胺薄膜对于聚酰亚胺的广泛应用具有重要意义。多面体聚倍半硅氧烷(POSS)具有独特的笼状分子结构，结合了无机和有机材料的优越性能。本文选取POSS作为纳米杂化材料，通过化学键的方式将功能化的POSS引入到聚酰亚胺分子链中，以期实现POSS与聚酰亚胺的“分子级杂化”，并探究POSS共价杂化对聚酰亚胺薄膜性能的影响。具体研究内容如下： (1)合成主链含羟基Cardo型聚酰亚胺，并通过共价接枝的方法将POSS接入聚酰亚胺的侧链，制得侧链含POSS聚酰亚胺复合薄膜。POSS-聚酰亚胺复合膜不但具有高的机械性能、热稳定性能和优异的溶解加工性能，而且具有低且稳定的介电常数和介电损耗。在20℃和106Hz时，纯PI的介电常数为3.92，PI-POSS-10和PI-POSS-30的介电常数分别降低到3.70和3.78。相较于未接枝聚酰亚胺膜，杂化膜的介电常数和介电损耗具有较好的温度稳定性。随着POSS含量的增加，杂化膜的拉伸强度略有降低而断裂伸长率增大。最为显著的是，PI-POSS-30和PI-POSS-50甚至在氯仿、四氢呋喃、1,4-二氧六环等常见低沸点溶剂中显示出良好的溶解性。POSS的引入在聚酰亚胺机械性能、溶解加工性能以及电介质性能之间达到了较好的平衡，使得聚酰亚胺的综合性能更加优异。 (2)利用环氧基POSS作为交联剂，与含羟基和芴结构的聚酰亚胺进行反应，制备了具有交联网状结构的聚酰亚胺杂化材料。交联膜相较于纯PI膜拉伸强度和杨氏模量显著增加。交联度为87.5%杂化膜的拉伸强度达到141.00MPa，杨氏模量达到4.23GPa，而纯PI膜的拉伸强度和杨氏模量分别为72.58MPa、2.65GPa。交联度为87.5%杂化膜的拉伸强度是纯PI膜的两倍左右。同时，环氧基POSS在原子氧的轰击下在材料表面形成SiO2钝层，使得杂化材料具有优异的抗原子氧性能。因此，环氧基POSS的引入起到增强膜的机械性能和提高膜抗原子氧性能的作用。 综上，本论文分别利用I-POSS和环氧基POSS对聚酰亚胺进行改性，分别制备了接枝和交联两种POSS共价杂化聚酰亚胺膜，POSS的共价引入使得在保证聚酰亚胺原有性能的基础上，显著提升材料的物理化学稳定性和机械性能。
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