聚酰亚胺

耐高温聚酰亚胺的合成及改性研究

结果表明，金纳米棒杂化改性的聚酰亚胺薄膜具有优异的效果。改性后的聚酰亚胺薄膜表面平整且具有发光效果。金纳米棒杂化改性聚酰亚胺薄膜与纯聚酰亚胺薄膜均具有良好的耐温性，掺杂0.01%含量的金纳米棒粒子具有更好的耐温性，比传统的聚酰亚胺薄膜耐高温温度提高了10℃左右，但两者的玻璃化转变温度并未发生明显变化。掺杂了0.01%含量的金纳米棒粒子后，PI/GNMRs 薄膜产生的了明显的红移现象，红移了10nm。

聚酰亚胺合成工艺的复杂，耗时较长，耗能较大，原料昂贵，污染较大等一直不能够得到有效的解决。如何能够制备性能良好，耗能较小，适用范围较广的聚酰亚胺是科学家不断追求的课题。

聚酰亚胺的性能主要包括以下方面： 耐高温性

由于聚酰亚胺具有相当特殊的体型结构，同时其分子链含有大量的芳香基，如苯环，酰亚胺键等，而芳香基（苯环，酰亚胺键等）具有较高的键能和分子间作用力，需要较高的温度提供能量才能够断裂，所以均能使聚酰亚胺材料具有想当高的耐温温度。其一般在500 ℃以上进行热分解。

耐低温性（耐寒性）

聚酰亚胺的耐低温性能，是所有高分子材料中少见优越的性能。据研究发现，聚酰亚胺在超低温液氮中，仍旧能够保持一定较好的机械性能，不会脆裂。

力学性能

聚酰亚胺具有优异的力学性能。聚酰亚胺薄膜的拉伸强度达到了180 MPa 以上，拉伸模量则能够达到3.0GPa 以上。经过一定的增强工艺（例如合金化，增韧化等）加工后，聚酰亚胺拉伸模量可大于210GPa 以上，较其它高分子材料而言，具有不可逾越的优秀性能。

尺寸稳定性 尺寸稳定性，是聚酰亚胺材料常用作制备电路版材料的原因。这是由于聚酰亚胺材料的热膨胀系数与金属的热膨胀系数相差较小，差值在1.0-2.0X10-5/℃。

光学性能

聚酰亚胺材料具有相当优秀的耐抗辐射性能，能在高温，高真空条件下保持稳定，较少的挥发物。

无毒稳定性

聚酰亚胺材料没有毒性，能够用作制备餐具和一些医疗替换用品。同时，聚酰亚胺耐几乎所有有机溶剂，耐部分无机酸，耐水解。

电学性能

聚酰亚胺具有良好的电学性能，其在电绝缘领域应用最广，被广泛的用做电绝缘漆包线的外层涂料或直接涂覆使用。聚酰亚胺具有一定的自润滑性能，能够耐老化，耐高压电击穿等。

耐辐射性

聚酰亚胺材料抗辐照性好，在高温、高真空及辐射下稳定，挥发物少。聚酰亚胺纤维经1ｘ1010rad 快电子辐照后，其强度保持率为90%。

化学稳定性

可溶性聚酰亚胺只能溶解在一些特定的溶剂（如NMP 等）中，几乎不溶于所有的有机溶剂，对稀酸稳定，耐水解，能在120℃中耐500h 的水煮。只有浓硫酸能够溶解或者破坏它，其耐腐蚀性与镍钢相近，但是聚酰亚胺材料耐碱性较差。

阻燃性

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聚酰亚胺材料自身具有阻燃性，在火焰条件下释放烟和有毒气体少，即其有较低发烟率，是一种自熄性聚合物。

抗蠕变性

抗蠕变性是高分子材料的重要性能，是指在一定温度和恒定压力下保持其起始形状的能力。在较高的温度下，聚酰亚胺的蠕变速度甚至比铝还小。

机械性

聚酰亚胺材料具有优异的机械性能，以提到的生产厂家为例，Kapton 型均苯型聚酰亚胺膜的拉伸强度能达到170MPa、拉伸模量能达到3.0GPa，而Upilex型联苯型聚酰亚胺的拉伸强度为400MPa、拉伸模量可达到3-4GPa，而经过后的聚酰亚胺材料拉伸模量可大于200GPa。

故单一聚酰亚胺薄膜有如下

不足：合成工艺要求较高，应力变形较容易，耐腐蚀较差，粘结比较困难等。而无机纳米粒子能够极大的提高材料的耐热性能，同时又避免了无机膜性脆，加工较难，以及有机薄膜不耐溶剂浸蚀等不足，展示出非常有希望的前景。因此，聚酰亚胺/无机纳米材料杂化改性薄膜成为了近年来研究的热点。其制备方法包括共混法，溶胶凝胶法，原位聚合法，穿插法，表面热喷射涂膜法，自组装技术法和相转换技术等[11]

高聚物的薄膜的表面形态与其性能有直接的关系[37]，例如材料的润滑性，耐腐蚀性，介电性[38]等。聚酰亚胺薄膜由于其优异的耐低温性（耐寒性），耐高温性，介电绝缘性越来越多的应用于电气行业[39]，如绝缘漆包线，军用航船外装涂料，电机外层涂漆等[40-41]，所以，对于制备的聚酰亚胺薄膜主要研究其表面形态和热力学性质，现做详细叙述。。

电容式湿度传感器用感湿聚酰亚胺的制备及性能研究

由于聚酰亚胺具有突出的耐高温性能、介电性能和优良的抗辐射性能，它作为功能材料在微电子工业及大规模和超大规模集成电路中获得日益广泛应用。近年来，聚酰亚胺作为一种很好的感湿材料得到越来越多的研究及关注，用聚酰亚胺作为感湿膜，放在平行板电容器中间充作介质，制成电容式湿度传感器，具有响应速度快、灵敏度高、输出范围宽、湿滞误差小，温度特性和长期稳定性好等特点，所以在湿度传感器领域受到人们重视，是一种新型很有前途的湿度传感器敏感材料。

高分了电容式湿度传感器

高分子电容型湿度传感器简称高分子湿敏电容是年代后期发展起来被称为第三代的湿度传感器。通常由三部分组成：上电极、下电极以及聚合物湿材料。其下电极材料通常非常稳定，不会因为湿度、时间以及化学气体的影响而引起电阻变化，也不会吸附水分子；中层为感湿材料层，一般要求具有较好的厚度均一性；而上电极材料则要求具有较好的透水性，同时对湿度变化具有较快的响应速度。这类高分子传感器的湿敏材料随周围环境相对湿度的大小成比例地吸附和释放水分子，巾于这类高分子材料大多是具冇较小介电常数（的电介质，而存在偶极矩的水分子的介电常数可达以上，这样吸附水分子的湿敏材料介电常数得到极大提高。具有这类特性的高分了电介质做成电容后，其电容量变化反映的湿度变化物理量为相对湿度。高分了电容式湿敏元件作为应用广泛的湿敏元件，以测湿范围宽、线性度好、敏度高、湿滞小、响应速度快、体积小、稳定性好深受广大生产者和使用者與爱，应用前景非常广阔。当前研究热点是聚酷亚胺、聚乙炔苯、聚砜、等离子聚合聚乙稀、线性交联等离子聚合聚甲基丙稀酸甲醋、和的交联共聚物、娃树脂等材料。

聚酰亚胺是一种很好的感湿材料，是上世纪年代合成出来的一种耐热聚合物，是当今有机聚合物中能用于感湿的最耐高温的品种之一。它能在的温度范围内，保持较高的机械性能和电气性能，具有优良的热稳定性，电绝缘性，化学稳定性，耐湿性等。用聚酰亚胺作为感

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湿膜，放在平行板电容器中间充作介质，可制成电容式湿度传感器。

由实验得到，达到各湿度点的吸湿和脱湿响应时间均较小，吸湿时间较快，一般小于脱湿时间稍慢，一般为。响应时间与湿敏介质膜（膜）厚度有关，膜越薄响应时间越短；与膜中气孔的孔径和孔形的均匀规则程度有关，孔越规则响应越快；与膜的致密程度有关，膜越致密吸附水分越少，响应越快；与介质膜面积有关，膜面积越大响应时间越长。其中，膜的致密程度或气孔率又和灵敏度有关，气孔率越高，在气孔中吸附水后电容变化越大，使灵敏度越高。所以，气孔率的大小应由各参数综合考虑。膜厚度应在保证形成连续膜的情况下，薄些为好。

这是因为，一般湿度传感器当环境湿度从低变高时，水分子的吸附能迅速达到平衡，而表现出快的响应速度，但当环境湿度从高往低变时，被吸附的水分子就不能全部释放出来，而造成湿滞。湿度越高，越容易引起毛细管凝聚现象，介质膜越厚也越容易产生这种现象，使响应速度越慢，湿滞就越大。金属氧化物陶瓷，尤其当它形成体型传感器时，由于吸湿后与水分子产生化学吸附，吸附热人，此时脱他！：所上吋就史匕，況滞岜史人。此外，况敏介质孔隙的形状刈湿滞也有相当的影响，不规则孔形、粗糙的孔壁都会加剧传感器的滞后。木实验采用玻璁平面光刻工艺的涂膜方法，再加上随后严格的烧结工艺，使介质膜中孔隙形状比较规整，薄膜孔隙的三维和网络化程度又较小，故湿滞较小。

聚酰亚胺电容式湿敏元件研究

我国电容型湿度传感器的研究虽然已有几十年的时间，但就其产品性能和市场占有率来言，都不令人满意。与国外同类产品性能相比，我国国产的电容型湿敏元件存在线性差、湿滞大、成品率低、性能不稳定等缺点，正因为这些缺点，其市场占有率才会很低。

高分子式湿度传感器高分子式湿度传感器分为电阻型和电容型，这主要取决于高分子湿敏材料的性质，某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器。其中最近几年来研究研究最为广泛的为电容型高分子湿度传感器，结构如下图所示。

电容式微湿度传感器敏感结构研究

当温度一定时，湿度传感器在脱附水分子过程中，常因有部分水分子以化学吸附或者物理吸附的方式残留于感湿材料内，所以相同湿度环境下，脱附与吸附过程测得特性曲线会产生差异，我们定义这个现象为湿滞效应，它可以反应传感器结构设计缺陷、工艺制造缺陷以及材料的参数恢复速度等。影响湿滞效应的因素主要有两个：升湿和降湿过程中，水分子被吸附的方式不同，包括物理吸附和化学吸附；据前面介绍，湿度传感器感应湿度变化有一定的反应时间，升湿和降湿反应时间有所差异。

高分子湿度传感器具有反应时间长、迟滞现象大、可操作温度范围小、不适

用于高湿环境等缺点[39]，虽然以高分子材料制成的湿度传感器在应用范围上比不上陶瓷式湿度传感器广泛，但近些年，随着高分子聚合物与半导体工艺相结合的方法迅速发展，加上此类型材料拥有灵敏度高、成本低、制作简单等优点，使得高分子湿度传感器被广泛且迅速地开发着。根据使用的高分子材料性质不同，可细分为电容式和电阻式两种。

由于传感器逐渐朝着集成化、微型化发展，基于MEMS 技术的微型湿度传感器成为了人们研究的热点，

聚酰亚胺基介电复合材料的制备和性能研究

耐高温性、耐化学腐烛性和良好的介电以及抗福射性的 聚酰亚胺由于出众的热学、力学和电性能，，在包装材料、航空航天和气 体分离等方面有广泛的应用，。聚酰亚胺在层间介电绝缘体（上有非常重要的途为追求极小尺寸内获得最佳的运行速率，必须具有尽可能小介电常数的绝缘材料。

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获得低介电和低吸水率的聚酰亚胺成为近几十年来研究的一个重点。二氧化娃具有很强的疏水性、低吸水率和很低的介电常数。而聚酰亚胺二氧化桂（复合材料表现出了很好的热性能二、很低的吸水性、低的介电常数和很好的透光率 聚酷亚胺用在微电子领域时必须要考虑的一个问题是聚酰亚胺的吸水性和 抗水热性，必须把聚酰亚胺的吸水性作为其一个功能性指标加以考察。 法制备的复合薄膜随着二氧化娃含量的增大，其纳米复合薄膜的 吸水性逐渐下降，的掺杂减少了基体分子与水的结合。相较纳米粒子原位聚合法制备的纳米复合薄膜，采用原位溶胶凝胶法制备的薄膜在相同的二氧化娃含量时具有更低的吸水率。采用纳米粒子原位法制备的薄膜在二氧化娃含量达到10wt% 时吸水率下降趋缓。

PI/siO2纳米复合薄膜是一种有机无机纳米复合材料，能够作为绝缘材料使 用于集成线路板中的随着二氧化硅含量的不断增大，复合薄膜的介电常数呈现下降的趋势，这是因为增强相粒子由许多粒径更小的纳米非常松散而不是紧密聚集在一起，极有可能是在粒子内部形成了大量的填充有空气的缝隙，而空气的介电常数很低（值为，这就使得复合薄膜的介电常数降低。 复合薄膜的导电性随着二氧化娃含量增大而大大减弱。

随着MWNTs增强相掺杂增多，两种复合薄膜的导电性能迅速提升。基于MWNT良好的电导性，当碳纳米管加入到复合材料中，会提高材料的导电性能，随着碳纳米管含量的增加，碳纳米管会在聚合物中形成导电通道，使材料的导电性能迅速增加。碳纳米管（MWNTs）必定能有效提高所掺杂的的复合材料的介电性质

电容式湿度传感器的湿滞和响应时间主要与聚酰亚胺介质层的厚度有关,通常来说,湿度由低变高时,水分子吸附较快,能迅速达到平衡。而在湿度由高变低时,聚酰亚胺层越厚则越容易引起毛细管凝聚现象,被吸附的水分子不能全部释放出来,造成湿滞变大,响应时间增长[7],

实验已经事先考虑这个问题,所制样品中聚酰亚胺层厚度已经减小到0.54μm(传统湿度传感器聚酰亚胺层厚度在1～ 2μm之间),所以,介质层厚度不是造成上述

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结果的主要原因。通过对器件表面分析得知,聚酰亚胺薄膜的连续性问题造成了传感器响应时间偏长,这与聚酰亚胺酸亚胺化温度控制有关,在今后的实验中应当注意改进。

本文改变了以往使用丝网印刷制作电极的方式,改用正胶反刻工艺,并且,实现了聚酰亚胺的等离子刻蚀,充分与半导体制造技术相结合。实验证明:基于CMOS工艺的电容式湿度传感器结构简单、成品率高、易于批量生产。而聚酰亚胺自身良好的化学性质又确保了器件的长期稳定性。通过将二者优势相结合,制成的器件具备良好的湿、容特性,规格符合设计要求,具备实用价值。

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