摘 要

聚酰亚胺（PI）是一种性能极为优异的工程材料，在目前的许多领域中有着广泛的应用。根据前人的研究，碳纤维（CF）和碳纳米管（CNT）对于单一材料的改性能力是十分优秀的，将其加入聚酰亚胺材料中可以有效的提升聚酰亚胺的性能。为了探索聚酰亚胺复合薄膜的性能，本文以均苯四羧酸二元酐-4,4’-二氨基二苯醚（PMDA-ODA）型聚酰亚胺为研究对象，加入不同比例的碳纳米管（CNT）和碳纤维（CF），用流延法制备出聚酰亚胺复合材料薄膜。通过红外光谱仪、扫描电子显微镜、万能材料试验机和导热系数仪测量聚酰亚胺复合薄膜的各种性质。实验结果表明：碳纤维和碳纳米管的加入可以有效的对聚酰亚胺进行改性。其中，随着碳纤维含量的增加，聚酰亚胺复合薄膜的力学性能越好，拉伸强度和弹性模量越高；随着碳纳米管含量的增加，聚酰亚胺复合薄膜的导热系数越低，保温性能越好。

关键词：聚酰亚胺 碳纤维 碳纳米管 力学性能 导热系数

ABSTRACT

In this paper, 4,4' - diaminodiphenyl ether ( PMDA - ODA ) polyimide with different proportions of carbon nanotubes ( CNT ) and carbon fibers ( CF) was taken as the research object, and polyimide composite films were prepared by casting method. Various properties of polyimide composite films were measured by infrared spectrometer, scanning electron microscope, universal material testing machine and thermal conductivity meter. The experimental results show that the addition of carbon fibers and carbon nanotubes can effectively modify polyimide. Among them, with the increase of carbon fiber content, the better mechanical properties, the higher tensile strength and modulus of elasticity of polyimide composite films are. With the increase of carbon nanotube content, the lower the thermal conductivity of polyimide composite film, the better the thermal insulation performance.

KEYWORDS: Polyimide；Carbon fiber；Carbon nanotubes；Mechanical properties；Thermal conductivity

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 i

第一章 文献综述 1

1.1 课题背景 1

1.2 碳纤维碳纳米管聚酰亚胺材料 1

1.2.1聚酰亚胺材料概述 1

1.2.2 聚酰亚胺的优异性能 2

1.2.3 聚酰亚胺材料的分类 3

1.2.4碳纳米管材料概述 3

1.2.5碳纤维材料概述 4

1.2.6聚酰亚胺材料的实际应用 5

1.3 材料的力学性能 6

1.3.1 材料的力学性能的定义 6

1.3.2 弹性性能 6

1.3.3 塑性性能 7

1.3.4材料的力学性能的意义 7

1.4 聚酰亚胺材料在中国发展的现状 8

1.5 本文研究的内容及意义 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验原料及试剂 10

2.2 实验仪器 11

2.3 实验流程 11

第三章 实验结果与讨论 13

3.1 聚酰亚胺复合薄膜的红外分析 13

3.2 聚酰亚胺薄膜的电子显微镜照片 14

3.3聚酰亚胺复合薄膜的力学性能 14

3.4 聚酰亚胺复合薄膜的导热系数 15

第四章 结论 17

参考文献 18

致谢 21

第一章 文献综述

1.1 课题背景

随着化工工业和科学技术的不断进步，人们对新型材料的追求是永无止境的，同时对材料本身的性能要求也愈发的苛刻。上世纪末本世纪初，聚酰亚胺（PI）作为一种新型的材料横空出世，在许多工业领域都表现的十分突出^[1]。但是，随着时代的发展，单纯的聚酰亚胺材料终究还是显示出疲态。如何在保有其原有的优秀性能的基础上对其进一步优化成为一个难题。

本文通过以添加填料制备复合材料的方式来制备聚酰亚胺复合薄膜的方式来尝试研究如何强化其性能。经过查阅文献后发现，碳纳米管和碳纤维均有强化其力学性能和降低其导热系数的能力^[2]。本文将在前人的基础上进一步进行研究，比较这两种填料强化聚酰亚胺的能力高低，为接下来的研究提供思路。

1.2 碳纤维碳纳米管聚酰亚胺材料

1.2.1 聚酰亚胺材料概述

聚酰亚胺（Polyimide，PI）是一种带有芳杂环的高分子化合物，因为分子主链上有酰亚胺基团的得名。在工业上，聚酰亚胺是一种性能优良的特种工程塑料，拥有高模量、高强度、耐辐射、耐高温、耐氧化和绝缘性能优异等优势^[3]。在美国最权威的化学研究杂志中，聚酰亚胺是被单独列出来进行研究的，目前只有六种材料能有此殊荣，可见其在现代工业中的重要地位。

图1-1 聚酰亚胺结构简式

表面上，聚酰亚胺是一种横空出世的新兴的工程材料，但是它的被发现其实并不算晚，早在1908年就已经有了关于这种物质的报导，但是受限于当时相对落后的科研水平和工业水平，聚合物的本质以及其应用价值未被真正认识，因此没有能引起足够的重视。进入60年代后，随着科研水平能力的提升和聚酰亚胺材料的商业化，这一材料绽放出耀眼的光芒^[4]。近年来，包括中国在内的各国都在将聚酰亚胺材料的研究、开发以及实际应用列入本世纪材料科学领域最重要的部分之一。时至今日，聚酰亚胺已广泛应用在诸如航空航天、医药食品、纳米技术、激光技术、膜材料、微电子等领域。尤其是微电子领域，聚酰亚胺可以说奠定了现代微电子技术的基础^[5]。总而言之，假若聚酰亚胺技术没有发展起来，很多和我们关系紧密的工业领域就要黯然失色。

1.2.2 聚酰亚胺的性能

1. 耐极端温度。聚酰亚胺对极端温度的耐受能力可以说是卓越的，上到500℃的高温，下至-269℃的液氮，聚酰亚胺材料都能耐受^[6]。

（2）机械性能优异。即使是最普通的聚酰亚胺，其拉伸强度也超过100MPa，而经过特殊工艺合成的聚酰亚胺更是可以超过500GPa。这一数据仅次于目前公认机械性能优异的碳纤维^[7]。

（3）介电性能和电性能良好。聚酰亚胺中独特的化学键让其电性能卓尔不群。其中的羰基和共轭体系以及作为大分子的刚性使得其偶极损耗小，电性能优异，耐电晕。

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