聚酰亞胺-二氧化硅復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、從分子角度設(shè)計(jì)、合成和探究材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系是材料設(shè)計(jì)、研發(fā)的關(guān)鍵，因此一直為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)建立了不同鍵合方式的聚酰亞胺/納米二氧化硅復(fù)合材料模型，基于分子模擬方法計(jì)算、分析了不同的界面復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比探討了不同二氧化硅摻雜濃度和界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響規(guī)律。
　　本文首先建立聚酰亞胺模型，通過(guò)幾何和分子動(dòng)力學(xué)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算分析了模型的結(jié)構(gòu)、力學(xué)與熱力學(xué)性能，通過(guò)

2、穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模擬的可行性。然后，構(gòu)建三種不同界面的材料模型，分別是聚酰亞胺與二氧化硅共混的復(fù)合材料模型(unboneded PI/SiO2)、硅烷偶聯(lián)劑為媒介的聚酰亞胺/二氧化硅納米顆粒共價(jià)鍵鍵合的復(fù)合材料模型(boneded PI/SiO2)和二氧化硅以小分子嵌入聚酰亞胺分子鏈間的雜化模型(hybrid PI/SiO2)，探究不同界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料的抗張強(qiáng)度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的影響。最后，通過(guò)溶膠凝膠法和原位聚合法制備了具有

3、不同界面結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜(PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ)，通過(guò)測(cè)試抗張強(qiáng)度和Tg對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:聚酰亞胺模型密度在1.32-1.34 g·cm-3之間，抗張強(qiáng)度為422.35 MPa，Tg為679 K。unboneded PI/SiO2和boneded PI/SiO2的抗張強(qiáng)度均隨著SiO2的含量升高呈現(xiàn)先升高而降低的趨勢(shì)，三種模型的最大抗張強(qiáng)度分別為542.19 MPa、612.16MPa和5

4、68.15 MPa，偶聯(lián)劑使SiO2與PI鍵合后可顯著強(qiáng)化材料的機(jī)械性能。在相同摻雜濃度時(shí)bonded PI/SiO2的Tg均高于unbonded PI/SiO2;在SiO2濃度為9wt％時(shí)，兩種模型的Tg達(dá)到最大值，分別為686 K和700 K，這是鍵合后納米粒子對(duì)基體的固定作用更強(qiáng)，在分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)更加困難造成的。在hybrid PI/SiO2中嵌入SiO2不僅增加了體系中氫鍵數(shù)目且改變了柔順性，使hybrid PI/SiO2的Tg隨

5、著SiO2摻雜量的升高呈現(xiàn)先降低而后升高趨勢(shì)，SiO2嵌入量在5％-11％時(shí)，柔順性為主導(dǎo)因素，Tg比純PI低;當(dāng)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13％時(shí)，氫鍵為主導(dǎo)因素，Tg高于純PI，其Tg為687 K。實(shí)驗(yàn)制備的PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ抗張強(qiáng)度均隨著SiO2的含量升高而先升高后降低，最大值分別為89.58 MPa和95.19 MPa。PI/SiO2-sol的Tg隨著SiO2的含量升高而升高，最高為628 K。PI/