聚酰亞胺石墨烯復合薄膜碳化研究.pdf

1、聚酰亞胺(PI)由于其剛性的結構、較高的碳產率和碳化后聚酰亞胺的薄膜形貌可以完好保留，因而被廣泛的用做碳膜的聚合物前驅體。雖然PI制備的碳膜性能可以通過控制熱解條件、預處理前驅體等來提升，但純PI基碳膜存在著碳化收縮率大、導電導熱性低等缺陷，使其應用受限。近幾年來，添加無機填料被認為是提高PI基碳膜性能和擴展其應用的一種有效方法。其中，石墨烯(Gr)因其特殊的碳結構和杰出的導電導熱性被認為是提高碳膜性能的最佳填充物。然而具有完整結構的石

2、墨烯極易自聚集，因而在PI基體中的分散性差。
　　本文中首先采用超聲分散法制備石墨烯、對苯二胺(PDA)單體在N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)中混合均勻的懸浮液，用原位聚合法、流延成膜法制備出聚酰胺酸(PAA)/石墨烯薄膜，再經過熱亞胺化制得PI/Gr復合薄膜。研究表明，在15％Gr含量(PI-15Gr)時，Gr在PI基體中分散性仍較為均勻，25％Gr含量(PI-25Gr)時僅有少量聚集。另外，薄膜的熱分解溫度(Td5)、殘余量和

3、導電性均隨Gr量的增加而提高，但薄膜韌性有所降低。
　　其次，對PI膜和PI-15Gr膜以不同的溫度碳化、不同的速率升溫和在1600℃下保溫不同的時間，研究碳膜在結構和性能上的變化，從而探討制備這兩種碳膜的最佳碳化過程。在碳化溫度方面的研究表明，800℃前，PI和PI-15Gr基碳膜因熱解而有序性降低，800℃后，碳膜的有序碳層結構又隨溫度的升高而增多。但碳膜的導電導熱性均隨溫度的升高而增加。在升溫速率方面的研究表明，兩種碳膜結構

4、中的微晶尺寸、有序程度以及性能中的表面電導率、熱導率均隨升溫速率的降低而增加，尤其是從10℃/min降到8℃/min時結構與性能變化較為明顯。2℃/min所制的PI碳膜的導電和導熱性分別可達2.98×104S/m、10.86W/m.K，PI-15Gr碳膜的導電和導熱性高達5.11×104S/m、35.26W/m.K。在保溫時長方面的研究表明，對于PI碳膜，保溫時長越長(＜8h)，碳膜的碳化結構和性能越佳，微晶尺寸為2.228nm，R值為

5、1.324。而對于PI-15Gr碳膜，保溫2h時達最佳，微晶尺寸為24.398nm，R值為1.260。這也說明了石墨烯可以誘導碳化結構較快的排列有序。
　　最后，采用碳化PI-15Gr膜的最適碳化過程進行碳化，研究了不同牽伸比和Gr含量對碳膜的結構和性能影響。研究表明，牽伸比的增加可有效地促進PI和PI-15Gr碳膜的微晶結構更加完善和有序。牽伸倍數(shù)為1.3時，PI碳膜微晶尺寸為2.141nm，R值為1.420，PI-15Gr碳膜