氧化石墨烯/偶氮聚酰亚胺波导材料的制备及热光性能研究

摘要

聚酰亚胺（Polyimide, PI）具有优异的物理和化学性能如：耐高温性、化学稳定性、突出的物理强度等特点，在工程材料领域中得到广泛的应用。偶氮苯（Azobenzene, AZB）分子独特的光响应性，使其在光电子学、光储存、光开关等领域具有巨大的应用潜力。石墨烯（Graphene）和氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）被发现至今，它优异的热学、力学、电学性质以及大的比表面积，在理论研究和实际应用方面已经充分展现出无穷魅力，将它作为光电功能材料，可制成体积小、耗能低的光电器件。
　　本文将结合GO的特性、AZB材料的光响应性和PI的性能，发展一类新型氧化石墨烯/偶氮聚酰亚胺热光功能波导材料，根据不同结构的二酐和偶氮生色分子，研究了5种氧化石墨烯/偶氮聚酰亚胺材料：联苯型氧化石墨烯/聚酰亚胺(AFGO/ACPI)、均苯型氧化石墨烯/聚酰亚胺(AFGO/API)、杂环型氧化石墨烯/聚酰亚胺(AFGO/SAZOPI)、双偶氮型氧化石墨烯/聚酰亚胺(AFGO/BISAZOPI)和含有两种偶氮苯基团的氧化石墨烯/聚酰亚胺材料（AFGO/PI）。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、红外光谱（FT-IR）、近红外（NIR）、热重（TG）分析和扫描电镜（SEM）等手段，对其进行结构、热稳定性和表面形貌等分析。利用衰减全反射装置（ATR），测定了5种聚合物在不同温度和不同激发波长处的折射率，研究其热光系数（dn/dT），将制备的5种氧化石墨烯/聚酰亚胺分别作为Y型与MZI型热光开关的波导材料，模拟两种热光开关的功耗与响应时间。具体内容为：
　　（1）采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO），然后采用乙二胺修饰剂，对GO进一步功能化，制备氨基功能化的氧化石墨烯（AFGO）。以间苯二胺和对硝基苯胺为原料，通过重氮-偶合反应，制备二元胺偶氮苯生色团分子（NDPD）单体。以NDPD和过量的联苯四甲酸二酐为单体，合成酐基封端的偶氮聚酰亚胺预聚体；然后再和AFGO通过溶液聚合法，制备联苯型氧化石墨烯聚酰亚胺(AFGO/ACPI)。ATR技术测得该材料在不同光激发波长处的热光系数分别是-9.16×10-4(532nm)、-7.56×10-4(650nm)和-4.82×10-4(850nm) oC-1。根据电荷耦合器件(CCD)数字成像设备技术，其光学传输损耗为0.3 dB/cm。将AFGO/ACPI Y复合材料作为分支开关和MZI型热光开关的波导材料，对两种开关的主要参数进行了模拟与分析，结果分别为：Y型的热光开关的加热功耗是0.93mW，响应时间是1.8ms；相比于Y型热光开关，MZI型的热光开关的功耗为2.31mW，响应时间仅为0.4ms。
　　（2）以NDPD和过量的均苯四甲酸酐为单体，合成酐基封端的偶氮聚酰亚胺预聚体；然后再和AFGO通过溶液聚合法，制备均苯型氧化石墨烯聚酰亚胺(AFGO/API)。该材料在不同光激发波长处的热光系数分别是-7.22×10-4(532nm)、-6.20×10-4(650nm)和-5.84×10-4(850nm) oC-1，波导的传输损耗为0.167dB/cm。将AFGO/API复合材料作为波导材料，Y型热光开关和MZI型热光开关模拟分析结果分别为：Y型热光开关的加热功率是0.63mW，响应时间是1.8ms；MZI型热光开关的加热功耗是1.45ms，MZI型热光开关的响应时间是0.5ms。
　　（3）以2-氨基苯并噻唑和间苯二胺为原料，通过重氮-偶合反应，制备二元胺杂环偶氮苯分子（SAZO）单体。以SAZO和过量的六氟四甲酸二酐（6FDA）为单体，合成酐基封端的偶氮聚酰亚胺预聚体；然后再和AFGO通过溶液聚合法，制备杂环型氧化石墨烯聚酰亚胺(AFGO/SAZOPI)。该材料的热光系数分别是-9.3×10-4(532nm)、-8.9×10-4(650nm)和-6.6×10-4(850nm) oC-1，波导的传输损耗为0.167dB/cm。以AFGO/SAZOPI为波导材料，Y型分支热光开关和MZI型热光开关模拟结果分别为：Y型的加热功率是3.6mW，响应时间是1.8ms；MZI型的加热功率是9.0mW，响应时间仅为0.3ms。
　　（4）以间苯二胺、苯胺和对硝基苯胺为反应原料，通过两次重氮-偶合化学反应，制备了二元胺双偶氮苯分子（BISAZO）单体。以BISAZO和过量的六氟四甲酸二酐（6FDA）为单体，合成酐基封端的偶氮聚酰亚胺预聚体；然后再和AFGO通过溶液聚合法，制备双偶氮型氧化石墨烯聚酰亚胺(AFGO/BISAZOPI)。该材料的热光系数分别是-9.8×10-4(532nm)、-9.0×10-4(650nm)和-8.8×10-4(850nm) oC-1，波导传输损耗是0.16dB/cm。将AFGO/BISAZOPI复合材料作为两种热光开关的波导材料，模拟结果分别为：Y型热光开关的加热功率是0.8mW，响应时间是1.6ms；MZI型热光开关功耗为2.0mW，响应时间为0.3ms。
　　(5)以2-氨基苯并噻唑、苯胺和间苯二胺为原料，制备了杂环型双偶氮分子（AZO1）；再以间苯二胺、苯胺和对硝基苯胺为原料，制备了双偶氮苯分子（AZO2）。以AZO1、AZO2和过量的六氟四甲酸二酐（6FDA）为单体，合成酐基封端的偶氮聚酰亚胺预聚体；然后再和AFGO通过溶液聚合法，制备氧化石墨烯偶氮苯聚酰亚胺(AFGO/PI)。该材料的热光系数分别是-10.8×10-4(532nm)、-9.5×10-4(650nm)和-8.1×10-4(850nm) oC-1，波导传输损耗为0.29dB/cm。以AFGO/PI复合材料为波导材料，Y型和MZI型热光开关的加热功率和响应时间分别是0.84mW、1.8ms和2.15mW、0.3ms。结果表明，MZI型热光开关的响应时间更快，但是Y型热光开关的加热功率比较小。

目录

第一章 绪论

1.1 偶氮苯

1.2石墨烯

1.3 聚酰亚胺

1.4热光开关简介

1.5本论文研究的意义及主要研究内容

第二章 联苯型氧化石墨烯/偶氮聚酰亚胺波导材料的制备与性能研究

2.1实验部分

2.2 聚合物的结构分析与物理性能

2.3热光开关器件的模拟

2.4本章小结

第三章 均苯型氧化石墨烯/偶氮聚酰亚胺波导复合材料的合成与性能研究

3.1实验部分

3.2 聚合物的结构分析与性能测定

3.3热光开关器件的模拟

3.4 结论

第四章 杂环型氧化石墨烯偶氮苯聚酰亚胺的合成与性能研究

4.1 实验部分

4.2 聚合物的结构分析与性能测定

4.3热光开关器件的模拟

4.4 结论

第五章 双偶氮型氧化石墨聚酰亚胺的合成与性能研究

5.1实验部分

5.2 聚合物的结构分析与性能测定

5.3热光开关器件的模拟

5.4 结论

第六章 含有两种生色团分子的偶氮苯聚酰亚胺的合成与性能研究

6.1实验部分

6.2 聚合物的结构分析与性能测定

6.3热光开关器件的模拟

6.4 结论

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及申请专利