聚酰亚胺/二氧化硅复合材料界面结构及性能研究

摘要

从分子角度设计、合成和探究材料结构与性能之间的关系是材料设计、研发的关键，因此一直为复合材料领域的研究的热点。本文通过建立了不同键合方式的聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合材料模型，基于分子模拟方法计算、分析了不同的界面复合材料的结构和性能，并通过实验和理论计算进行对比探讨了不同二氧化硅掺杂浓度和界面结构对材料性能的影响规律。
　　本文首先建立聚酰亚胺模型，通过几何和分子动力学对模型进行优化，并计算分析了模型的结构、力学与热力学性能，通过稳定性和实验数据确定模拟的可行性。然后，构建三种不同界面的材料模型，分别是聚酰亚胺与二氧化硅共混的复合材料模型(unboneded PI/SiO2)、硅烷偶联剂为媒介的聚酰亚胺/二氧化硅纳米颗粒共价键键合的复合材料模型(boneded PI/SiO2)和二氧化硅以小分子嵌入聚酰亚胺分子链间的杂化模型(hybrid PI/SiO2)，探究不同界面结构对材料的抗张强度、玻璃化转变温度（Tg）的影响。最后，通过溶胶凝胶法和原位聚合法制备了具有不同界面结构的复合薄膜(PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ)，通过测试抗张强度和Tg对理论计算结果进行验证。结果表明:聚酰亚胺模型密度在1.32-1.34 g·cm-3之间，抗张强度为422.35 MPa，Tg为679 K。unboneded PI/SiO2和boneded PI/SiO2的抗张强度均随着SiO2的含量升高呈现先升高而降低的趋势，三种模型的最大抗张强度分别为542.19 MPa、612.16MPa和568.15 MPa，偶联剂使SiO2与PI键合后可显著强化材料的机械性能。在相同掺杂浓度时bonded PI/SiO2的Tg均高于unbonded PI/SiO2;在SiO2浓度为9wt％时，两种模型的Tg达到最大值，分别为686 K和700 K，这是键合后纳米粒子对基体的固定作用更强，在分子热运动时更加困难造成的。在hybrid PI/SiO2中嵌入SiO2不仅增加了体系中氢键数目且改变了柔顺性，使hybrid PI/SiO2的Tg随着SiO2掺杂量的升高呈现先降低而后升高趋势，SiO2嵌入量在5％-11％时，柔顺性为主导因素，Tg比纯PI低;当SiO2质量分数为13％时，氢键为主导因素，Tg高于纯PI，其Tg为687 K。实验制备的PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ抗张强度均随着SiO2的含量升高而先升高后降低，最大值分别为89.58 MPa和95.19 MPa。PI/SiO2-sol的Tg随着SiO2的含量升高而升高，最高为628 K。PI/SiO2-in situ的Tg随着SiO2的含量升高而先降低后升高，最高为616K。模拟结果与实验对比发现，三种模型的力学性能变化规律与实验结果吻合度高，二氧化硅与聚酰亚胺之间结合方式单一和键合数目过少是导致Tg理论计算结果与实验产生偏差的原因。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 芳香聚酰亚胺和纳米二氧化硅概述

1．2．1 芳香聚酰亚胺概述

1．2．2 纳米二氧化硅概述

1．3 芳香聚酰亚胺及其复合材料研究进展

1．4 论文的主要研究内容和工作

第2章 聚酰亚胺结构与性能研究

2．1 引言

2．2 PI元胞模型的建立及优化

2．2．1 PI模型的建立

2．2．2 模拟关键参数

2．3 结构与性能研究

2．3．1 PI元胞模型的结构

2．3．2 PI元胞模型的机械性能

2．3．3 PI元胞模型的Tg

2．4 本章小结

第3章 PI／SiO2复合材料模型结构与性能研究

3．1 引言

3．2 PI／SiO2复合材料元胞模型的建立及优化

3．3 结构与性能研究

3．3．1 PI／SiO2复合材料模型的结构

3．3．2 PI／SiO2复合材料模型的机械性能

3．3．3 PI／SiO2复合材料模型的Tg

3．4 本章小结

第4章 PI／SiO2杂化材料结构与性能研究

4．1 引言

4．2 PI／SiO2杂化材料元胞模型的建立及优化

4．2．1 PI／SiO2杂化材料元胞模型的建立

4．2．2 模拟关键参数

4．3 结构与性能研究

4．3．1 PI／SiO2杂化材料模型的结构

4．3．2 PI／SiO2杂化材料模型的机械性能

4．3．3 PI／SiO2杂化材料模型的Tg

4．4 本章小结

第5章 PI／SiO2复合薄膜的制备和性能研究

5．1 引言

5．2 PI／Si0O2复合薄膜的制备和表征

5．2．1 实验药品

5．2．2 PI／SiO2复合薄膜的制备

5．2．3 PI／SiO2复合薄膜的表征

5．3 结构与性能研究

5．3．1 PI／SiO2复合薄膜的FTIR

5．3．2 PI／SiO2复合薄膜的XRD

5．3．3 PI／SiO2复合薄膜的形貌

5．3．4 PI／SiO2复合薄膜的机械性能

5．3．5 PI／SiO2复合薄膜的Tg

5．3．6 PI／SiO2复合薄膜的电学性能

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢