本文關鍵詞：聚酰亞胺基石墨膜的制備與結構、傳導性能的關聯(lián)性研究

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【摘要】：由聚酰亞胺(PI)為前驅體制備的聚酰亞胺基石墨膜材料由于既具有傳統(tǒng)炭材料密度低、耐高溫、耐腐蝕且高強高模等特點,又具有優(yōu)異的傳導性能,成為了解決電子器件、航天飛行器等先進工業(yè)領域散熱問題的優(yōu)良材料。目前,以國外PI薄膜燒制的炭膜電導率超過6.5×103S/m,石墨膜的電導率達到2×105S/m,導熱率超過1500W/m-K。而國產(chǎn)的聚酰亞胺薄膜受熱收縮不均,燒制的石墨膜質量差,傳導性能低,難以滿足工業(yè)需求。本文通過改變PI薄膜合成過程中的工藝條件,觀察了薄膜合成與定型過程對PI基石墨薄膜結構與性能的作用。首先通過改變均苯四甲基二酐(PMDA)與二氨基二苯醚(ODA)投料比合成聚酰胺酸溶液,采用GPC等測試方法研究了聚酰胺酸(PAA)分子量的大小以及分布對PI基炭膜形貌及導電性能的影響。其次,通過元素分析等方法研究了去溶劑處理時間對PI薄膜及PI基炭膜、石墨膜結構及性能的影響；然后,通過DMA等研究了預炭化溫度對PI薄膜的影響和對石墨膜傳導性能的影響。最后,通過分析各類材料的性能特點,研究了PI薄膜制備過程中的拉伸條件對薄膜性能及PI基石墨薄膜結構與性能的影響。結果表明：(1)合成高分子量且分布越窄的聚酰胺酸有利于聚酰亞胺薄膜耐熱性能的提高,也利于高傳導性能的石墨膜的制備。但由于任一單體過量后都會對所得材料產(chǎn)生較大影響,因此通過改變單體投料比的方法進行控制聚酰胺酸的分子量不利于高質量薄膜的制備。當投料比為1.01：1時,獲得產(chǎn)物Mw為2.12×106,分散度為2.11;此時材料的熱分解溫度為588℃；所得聚酰亞胺材料在炭化后表面缺陷明顯較少,所得炭膜導電率為7.18× 103S/m,石墨薄膜導電率最高為2.98×104S/m。(2)去溶劑化處理不會改變聚酰亞胺薄膜的化學結構,但隨著去溶劑處理時間延長,聚酰胺酸膠質薄膜中殘余溶劑含量降低,在酰亞胺化過程中溶劑對聚酰亞胺大分子鏈的增塑作用下降,在相同的熱酰亞胺化處理溫度下,材料的酰亞胺化程度降低,材料的熱穩(wěn)定性能降低。而適當?shù)娜コ軇┨幚?可以降低薄膜內部雜質含量有利于減少石墨膜中的缺陷,有助于制備光滑平整的PI基炭膜,去溶劑時間為6h時,所得石墨薄膜的導電率最大,為4.63×104S/m。(3)預炭化處理可以有效提高材料的酰亞胺化程度,有利于材料在高溫炭化(石墨化)過程中提高有序度,向規(guī)整的晶態(tài)石墨結構轉變。但過高的預炭化溫度導致材料發(fā)生熱氧化分解及交聯(lián)反應,破壞聚酰亞胺結構,則材料經(jīng)石墨化后所得石墨膜有序度降低。經(jīng)400℃預炭化處理后所得石墨膜d002峰接近石墨單晶尺寸。此時,PI基炭膜導電率為9.24×103S/m,石墨薄膜導電率為27.78×104S/m。(4))對雙向拉伸薄膜進行預炭化處理可以有效提高薄膜熱穩(wěn)定性能,及力學性能,同時有利于石墨膜導電性能的提高。經(jīng)雙向拉伸的薄膜拉伸強度提高18.69%,斷裂伸長率提高36.58%,彈性模量提升2.86%。日產(chǎn)薄膜經(jīng)石墨化后導電率可達到41.67×104S/m,而國產(chǎn)薄膜在相同的石墨化處理工藝下,導電率相差25.94%。
【關鍵詞】：聚酰亞胺 石墨化 分子量 去溶劑 預化 拉伸
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ323.7;TB383.2
【目錄】：

• 學位論文數(shù)據(jù)集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 緒論16-32
• 1.1 聚酰亞胺簡介16-20
• 1.1.2 聚酰亞胺發(fā)展概述17-20
• 1.2 聚酰亞胺薄膜制備工藝20-22
• 1.2.1 聚酰亞胺合成20-22
• 1.2.2 聚酰亞胺薄膜的成型工藝22
• 1.3 聚酰亞胺薄膜碳化、石墨化工藝22-29
• 1.3.1 炭材料簡介22-23
• 1.3.2 聚酰亞胺薄膜碳化研究歷程23-27
• 1.3.3 聚酰亞胺薄膜石墨化研究歷程27-28
• 1.3.4 存在的問題28-29
• 1.4 本文的研究內容與意義29-32
• 第二章 實驗部分32-38
• 2.1 實驗材料32-34
• 2.2 實驗及表征方法34-38
• 2.2.1 薄膜工藝路線34
• 2.2.2 化學結構分析34-35
• 2.2.3 熱行為分析35
• 2.2.4 力學性能分析35
• 2.2.5 晶體結構分析法35-36
• 2.2.6 材料形貌分析36
• 2.2.7 傳導性能分析36-38
• 第三章 分子量對PI基石墨薄膜結構、性能影響38-50
• 3.1 前言38
• 3.2 實驗部分38-39
• 3.2.1 實驗方法38-39
• 3.2.2 測試與表征39
• 3.3 結果與討論39-47
• 3.3.1 聚酰胺酸的分子量及其分布39-42
• 3.3.2 PI膜的TG分析42-44
• 3.3.3 PI基碳膜的XRD分析44-45
• 3.3.4 PI基炭膜的形貌分析45-46
• 3.3.5 PI基碳膜、石墨膜傳導性能46-47
• 3.4 小結47-50
• 第四章 去溶劑化處理對PI基石墨薄膜的影響50-62
• 4.1 前言50-51
• 4.2 實驗部分51
• 4.2.1 實驗方法51
• 4.2.2 測試與表征51
• 4.3 分析與結論51-60
• 4.3.1 PI薄膜紅外分析51-52
• 4.3.2 去溶劑過程分析52-54
• 4.3.3 PI薄膜DMA分析54-57
• 4.3.4 PI基碳膜XRD分析57-58
• 4.3.5 PI基碳膜的形貌分析58-59
• 4.3.6 PI基炭膜、石墨膜性能分析59-60
• 4.4 小結60-62
• 第五章 預碳化處理對PI基石墨薄膜性能影響62-74
• 5.1 前言62
• 5.2 實驗部分62-63
• 5.2.1 實驗方法62-63
• 5.2.2 測試與表征63
• 5.3 分析與討論63-72
• 5.3.1 PI薄膜的DMA分析63-65
• 5.3.2 PI薄膜的紅外分析65-66
• 5.3.3 PI薄膜的力學性能66-67
• 5.3.4 PI基碳膜、石墨膜的XRD分析67-69
• 5.3.5 PI基碳膜表面形貌分析69-71
• 5.3.6 PI基碳膜、石墨膜傳導性能71-72
• 5.4 小結72-74
• 第六章 薄膜結構及性能對比分析74-84
• 6.1 前言74
• 6.2 實驗部分74-75
• 6.2.1 試驗方法74-75
• 6.2.2 測試與表征75
• 6.3 分析與討論75-83
• 6.3.1 PI薄膜的紅外分析75-76
• 6.3.2 PI薄膜的DMA分析76-77
• 6.3.3 PI薄膜的TG分析77-80
• 6.3.4 PI基碳膜的XRD分析80-81
• 6.3.5 PI基炭膜的形貌分析81-82
• 6.3.6 PI薄膜的力學性能82-83
• 6.3.7 PI基碳膜、石墨膜傳導性能83
• 6.4 小結83-84
• 第七章 結論84-86
• 參考文獻86-90
• 致謝90-92
• 研究成果及發(fā)表的學術論文92-94
• 作者和導師簡介94-96
• 碩士研究生學位論文答辯委員會決議書96-97

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本文編號：681448