《畢業(yè)設(shè)計顏小兵》PPT課件.ppt

1、PI/AlN復(fù)合薄膜介電性能的研究,學(xué) 生：顏小兵 指導(dǎo)教師：陳明華,課題研究的意義及目的,聚酰亞胺以其優(yōu)異的介電性能、熱性能以及高強(qiáng)度的機(jī)械性能使得其在多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用 ；在電工絕緣領(lǐng)域，聚酰亞胺被廣泛用作電機(jī)絕緣材料，大幅度提高了電機(jī)絕緣的耐熱等級。近年來隨著電機(jī)工業(yè)的進(jìn)步和電工新技術(shù)的應(yīng)用，特別是高壓電機(jī)和變頻電機(jī)的快速發(fā)展，對電機(jī)用絕緣材料的性能要求更加苛刻，除較高的熱穩(wěn)定性要求外，還必須具備優(yōu)異的耐電暈?zāi)芰?；然而純聚酰亞胺的耐電暈老化遠(yuǎn)不能滿足這些應(yīng)用要求，以其作為絕緣材料的變頻電機(jī)頻繁發(fā)生早期絕緣老化失效,限制了在變頻電機(jī)絕緣中的,應(yīng)用。因此，聚酰亞胺納米復(fù)合電介質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生，

2、成為研究聚酰亞胺的主流。摻雜無機(jī)納米粒子，大幅度提高其耐電暈?zāi)芰Τ蔀閲鴥?nèi)外研究的熱點；大量研究表明，少量的無機(jī)納米雜化可以顯著改善聚合物電介質(zhì)的介電常數(shù)、介電損耗、電阻率、擊穿場強(qiáng)、局部放電等介電性能。根據(jù)無機(jī)納米顆粒的不同性質(zhì)以及實際產(chǎn)品及應(yīng)用需求，可制備不同性能納米復(fù)合電介質(zhì)。因此聚酰亞胺納米復(fù)合電介質(zhì)具有廣闊的研究空間和實用前景。,前期工作,一、資料查閱整理 二、論文提綱整理 三、課題相應(yīng)實驗,資料查閱整理,一、聚酰亞胺材料的簡介 二、國內(nèi)外聚酰亞胺的研究現(xiàn)狀,什么是聚酰亞胺？,聚酰亞胺英文名：Polyimide ，簡稱PI。是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類聚合物，其中以含有酞酰亞胺結(jié)構(gòu)的聚

3、合物最為重要。 聚酰亞胺又分為縮聚型聚酰亞胺和加聚型聚酰亞胺兩種，縮聚型芳香族聚酰亞胺是由芳香族二元胺和芳香族二酐、芳香族四羧酸或芳香族四羧酸二烷酯反應(yīng)而制得 ，加聚型聚酰亞胺又主要分為聚雙馬來酰亞胺和降冰片烯基封端聚酰亞胺樹脂兩種。,聚酰亞胺的應(yīng)用價值,聚酰亞胺的特性： 聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，耐高溫達(dá) 400以上 ，長期使用溫度范圍200300，無明顯熔點，高絕緣性能，103 赫下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅0.0040.007，屬F至H級絕緣材料。 總的來說聚酰亞胺具有以下特性： （1）由聯(lián)苯四甲酸二酐和對苯二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達(dá)600，是迄今聚合物中熱穩(wěn)定性

4、最高的品種之一。,（2）聚酰亞胺可耐極低溫，如在269的液態(tài)氦中不會脆裂。 （3）聚酰亞胺具有優(yōu)良的機(jī)械性能，未填充的塑料的抗張強(qiáng)度都在100Mpa以上，均苯型聚酰亞胺的薄膜（Kapton）為170Mpa以上，而聯(lián)苯型聚酰亞胺（Upilex S）達(dá)到400Mpa。 （4）一些聚酰亞胺品種不溶于有機(jī)溶劑，對稀酸穩(wěn)定，一般的品種不大耐水解，這個看似缺點的性能卻使聚酰亞胺有別于其他高性能聚合物的一個很大的特點 。 （5）聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)在210-5310-5 ，聯(lián)苯型可達(dá)10-6，個別品種可達(dá)10-7。,（6）聚酰亞胺具有很高的耐輻照性能，其薄膜在5109rad快電子輻照后強(qiáng)度保持率為90%。

5、（7）聚酰亞胺具有良好的介電性能，介電常數(shù)為3.4左右，引入氟，或?qū)⒖諝饧{米尺寸分散在聚酰亞胺中，介電常數(shù)可以降到2.5左右。介電損耗為10-3，介電強(qiáng)度為100300KV/mm，廣成熱塑性聚酰亞胺為300KV/mm，體積電阻為1017cm。 （8）聚酰亞胺是自熄性聚合物，發(fā)煙率低。 （9）聚酰亞胺在極高的真空下放氣量很少。 （10）聚酰亞胺無毒，有一些聚酰亞胺還具有很好的生物相容性 。,聚酰亞胺的應(yīng)用： （1）薄膜：是聚酰亞胺最早的商品之一，用于電機(jī)的槽絕緣及電纜繞包材料。主要產(chǎn)品有杜邦Kapton,宇部興產(chǎn)的Upilex系列和鐘淵Apical。透明的聚酰亞胺薄膜可作為柔軟的太陽能電池底版。

6、 （2）涂料：作為絕緣漆用于電磁線，或作為耐高溫涂料使用。 （3）先進(jìn)復(fù)合材料：用于航天、航空器及火箭部件。是最耐高溫的結(jié)構(gòu)材料之一。例如美國的超音速客機(jī)計劃所設(shè)計的速度為2.4M，飛行時表面溫度為177，要求使用壽命為60000h，據(jù)報道已確定50%的結(jié)構(gòu)材料為以熱塑型聚酰亞胺為基體樹脂的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，每架飛機(jī)的用量約為30t。,（4）纖維：彈性模量僅次于碳纖維，作為高溫介質(zhì)及放射性物質(zhì)的過濾材料和防彈、防火織物。 （5）泡沫塑料：用作耐高溫隔熱材料。 （6）工程塑料：有熱固性也有熱塑型，熱塑型可以模壓成型也可以用注射成型或傳遞模塑。主要用于自潤滑、密封、絕緣及結(jié)構(gòu)材料。廣成聚酰亞胺材

7、料已開始應(yīng)用在壓縮機(jī)旋片、活塞環(huán)及特種泵密封等機(jī)械部件上。 （7）膠粘劑：用作高溫結(jié)構(gòu)膠。廣成聚酰亞胺膠粘劑作為電子元件高絕緣灌封料已生產(chǎn)。 （8）分離膜：用于各種氣體對，如氫/氮、氮/氧、二氧化碳/氮或甲烷等的分離，從空氣烴類原料氣及醇類中脫除水分。也可作為滲透蒸發(fā)膜及超濾膜。由于聚酰亞胺耐熱和耐有機(jī)溶劑性能，在對有機(jī)氣體和液體的分離上具有特別重要的意義。,（9）光刻膠：有負(fù)性膠和正性膠，分辨率可達(dá)亞微米級。與顏料或染料配合可用于彩色濾光膜，可大大簡化加工工序。 （10）在微電子器件中的應(yīng)用：用作介電層進(jìn)行層間絕緣，作為緩沖層可以減少應(yīng)力、提高成品率。作為保護(hù)層可以減少環(huán)境對器件的影響，還可

8、以對a-粒子起屏蔽作用，減少或消除器件的軟誤差（soft error）。 （11）液晶顯示用的取向排列劑：聚酰亞胺在TN-LCD、SHN-LCD、TFT-CD及未來的鐵電液晶顯示器的取向劑材料方面都占有十分重要的地位。 （12）濕敏材料：利用其吸濕線性膨脹的原理可以用來制作濕度傳感器。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在應(yīng)用于耐電暈方面的聚合物研究領(lǐng)域，國外起步較早，進(jìn)行比較全面而且深入的系統(tǒng)研究。我國在該領(lǐng)域起步較晚，由于工業(yè)體系和實驗條件限制，工業(yè)化產(chǎn)品與國外大公司(如Dupont、飛利浦道奇)的產(chǎn)品在耐電暈性能方面存在較大的差距，因此，進(jìn)行全面、深入地研究成為一種必然趨勢。國外科研人員從不同角度研究溫度

9、場、濕度、電場等外界因素對聚合物電介質(zhì)性能及結(jié)構(gòu)的影響。 S.Diaham等人研究在25-400溫度范圍內(nèi)、直流電場條件下聚酰亞胺薄膜的擊穿場、介電性能。,Gorur Govinda Raju等人 研究溫度、電場強(qiáng)度和電極材料對杜邦聚酰亞胺薄膜傳輸電流、脫附及吸附的影響，研究結(jié)果說明，隨時間增加，電流等溫衰減。D.Rodriguez等人研究擊穿及局部放電與濕度的關(guān)系。這些研究初步探索了PI在外加溫度場與外電場變化時的特性，但其機(jī)理還未完全探究清楚；遠(yuǎn)未能夠揭示材料微觀結(jié)構(gòu)與性能在外場作用下的聯(lián)系與變化規(guī)律。國內(nèi)吳廣寧等人進(jìn)行熱激電流(TSC)、SEM和壽命試驗，研究聚酰亞胺結(jié)構(gòu)變化，研究結(jié)果結(jié)

10、果表明，聚酰亞胺是從表面向內(nèi)部傳播的結(jié)構(gòu)演變，形成三層斷面；TSC譜分析，得到聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)和壽命的變化規(guī)律。,論文提綱,第一章 課題研究背景及意義 第二章 PI/AlN納米復(fù)合薄膜的制備 第三章 實驗材料與測試方法 第四章 PI/AlN納米復(fù)合薄膜電性能 結(jié)論,聚酰胺酸合成 實驗,聚酰亞胺合成原理 采用二胺和二酐合成聚酰亞胺的方法很多，兩步合成法是最普遍的一種。兩步合成法是指首先在低溫下將二胺和二酐溶解在極性溶劑(比如N, N-二甲基乙酰胺等)中進(jìn)行溶液縮聚獲得聚酰胺酸溶液(PAA)，并進(jìn)行PAA加工，比如涂膜、去除溶劑；接下來對PAA脫水成環(huán)形成聚酰亞胺(PI)，這個過程中可采用不同的方

11、法，比如化學(xué)脫水劑處理與高溫處理等。,聚酰胺酸合成 4，4-二氨基二苯醚(ODA)在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中與均苯四甲酸二酐(PMDA)進(jìn)行反應(yīng)，生成聚酰胺酸，在室溫下將ODA溶解于定量的溶劑中，邊攪拌邊少量向混合溶劑中加入DMAc；隨著DMAc加入量的增加，溶液粘度緩慢增加，當(dāng)加入的DMAc與ODA等摩爾量時，溶液粘度劇增。由于PAA的放熱可逆反應(yīng)，反應(yīng)溫度不應(yīng)超過70，否則引起PAA大分子鏈降解。,聚酰胺酸亞胺化 聚酰胺酸亞胺化分為兩個階段：快速階段和慢速階段。在一定溫度下PAA亞胺化到一定狀態(tài)后亞胺化進(jìn)程就變緩，溫度升高，則亞胺化反應(yīng)速率快速上升，之后速度變?yōu)榫徛?；如此反?fù)

12、，直至亞胺化反應(yīng)完畢為止。PAA亞胺化過程取決于溫度、溫度梯度，與時間相關(guān)性不大。在PAA環(huán)化過程中，聚酰亞胺玻璃化溫度升高，大分子鏈活性降低。,PI/AlN納米復(fù)合薄膜制備,原位聚合法制備聚合物是指在相關(guān)溶劑中采用原位填充將聚合物單體和無機(jī)粉末按一定的比例進(jìn)行混合，確保無機(jī)粉末顆粒在聚合物單體中分散均勻，在熱或光等條件下進(jìn)行縮聚反應(yīng)，生成聚合物復(fù)合產(chǎn)物后，將其真空干燥除去剩余單體及溶劑。原位聚合法工藝實現(xiàn)了填充粒子較高的分散均勻度。除此之外，基體在填充顆粒過程過程中一次縮聚成型，消除由此產(chǎn)生的聚合物降解，從而保證基體聚合物原有各種性能的穩(wěn)定。,綜合實驗條件和氮化鋁性質(zhì)兩方面的考慮，本文采用原

13、位聚合法制備聚酰亞胺/氮化鋁（PI/AlN）納米復(fù)合薄膜。 將ODA、PMDA及AlN顆粒放入烘箱中，在100條件下很穩(wěn)干燥12h，去除其中的水分； 2. 按比例分別稱取一定量的ODA、PMDA及AlN顆粒（納米顆粒百分含量=納米顆粒質(zhì)量/（納米顆粒質(zhì)量+PMDA+ODA），將稱量好的ODA放入到三口燒瓶中，稱取DMAc溶劑放入到盛有ODA粉末的三口燒瓶中，封口后電動攪拌20min；,3. 將稱量好的AlN顆粒加入ODA溶液中，超聲震蕩6h，打散團(tuán)聚的AlN顆粒，并使其在溶劑中分散的充分均勻； 4. 將三口燒瓶取出使用電動攪拌機(jī)攪拌混合溶液30min，AlN顆粒在混合溶劑中進(jìn)一步分散，并降低混

14、合溶劑的溫度； 5. 在攪拌的過程中將烘干并稱量好的PMDA粉末分多次加入到混合溶液中，每次加入時間間隔以上次PMDA粉末完全溶解時間為準(zhǔn)；當(dāng)ODA與PMDA比例為1:1.01時，PMDA粉末加入完畢，溶液粘度增加出現(xiàn)爬桿現(xiàn)象，得到PAA混合溶液，之后繼續(xù)攪拌2h，確?；旌先芤撼浞址磻?yīng)；,6. 用膠塞將三口燒瓶封口靜止2h，之后抽真空去除氣泡； 7. 將制得的PAA混合溶液取出少量，在干凈的玻璃板上采用涂膜機(jī)鋪成厚度均勻的薄膜；然后將涂有PAA混合溶液的玻璃板放入真空箱中靜置20min； 8. 將靜置后的薄膜放入烘箱中，進(jìn)行聚酰胺酸熱亞胺化反應(yīng)，升溫過程為：80 12h，120 1h，150 1h，200 40min，230 30min，260 30min，300 30min，330 30min，360 2h；,9. 亞胺化完成后，關(guān)閉烘箱，待烘箱溫度降至50以下，將玻璃板取出，在去離子水中脫膜，將得到的薄膜在烘箱中120 8h，去除表面殘留