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北京科技大學查俊偉 CEJ:受“蜘蛛網”啟發的高性能交聯聚酰亞胺氣凝膠
2023-04-30  來源:高分子科技

  微電子產業的不斷升級對便攜式、小型化電子設備的電氣性能提出了更高的需求。傳統電介質材料的介電常數較高,由此產生的寄生電容效應嚴重,導致信號傳輸滯后、串擾和損耗增強,現已成為限制微電子技術領域集成電路發展的關鍵問題。同時,在實際運行工況下,電子設備不可避免地會受到外界極端環境的影響,電介質材料良好的保溫性能也決定了設備在惡劣環境中的長期穩定性。


  聚酰亞胺氣凝膠作為一種高性能工程材料,由于富含空氣而表現出優異的隔熱和低介電特性,廣泛用于微電子工業領域。然而,常見的線性聚酰亞胺氣凝膠在冷凍干燥和亞胺化過程中體積穩定性較差,易造成合成過程中樣品的體積收縮和結構坍塌。因此,設計合成一種具有穩固結構的低介電-高隔熱聚酰亞胺氣凝膠是促進微電子工業的發展的有效路徑。



  日前,北京科技大學查俊偉教授課題組設計了一種含有類蜘蛛網結構的交聯聚酰亞胺氣凝膠 (CPA得益于內部穩固的網絡結構,CPA表現出良好的壓縮彈性、可調的介電常數優異的隔熱性能(λ=0.040 W/m?K)。此外,通過將CPA-3與碳納米管(CTNs)組裝獲得的CNTs/CPA-3復合氣凝膠可作為柔性應變傳感器的基底材料。研究表明,CNTs/CPA-3復合氣凝膠基傳感器具有協同增強的靈敏度、高選擇性和穩定性,并可實現多點觸控應力檢。因此,設計合成的交聯聚酰亞胺氣凝膠可作為電子器件的理想襯底材料


  通過分子結構或空間框架的設計,可解決氣凝膠內高彈性與高強度之間難以協調的問題。“蜘蛛絲”作為一種常見的生物基材料,在高倍顯微鏡下,其橫截面呈圓形,其中一些組織的分子排列與橡膠的分子組織相當。這些部分相互交替,誘導了蜘蛛絲的高強度、高彈性和高韌性。因此,受自然界中“蜘蛛網”的啟發,構建了一個與“蜘蛛網”性質相似的空間框架,以期賦予氣凝膠高彈性和高模量。具體地,利用4-氨基苯胺)(TPA作為交聯劑設計并合成了一種具有高模-高彈性的蜘蛛網狀交聯聚酰亞胺氣凝膠。通過變換TPA在合成單體中的占比,對CPA內部捕獲的空氣含量進行調節,從而對氣凝膠的介電、熱力學和隔熱性能進行有效調控。當TPA所提供的氨基在氨基總量中占15%時(即CPA-3),交聯聚酰亞胺氣凝膠的介電常數最低可至1.09,介電損耗為0.003 (f=106 Hz),導熱系數僅為0.040 W/m?K。同時利用有限元模擬分析CPA中的傳熱過程,揭示了CPA隔熱性能逐步增強的內部機理。由于CPA具有良好的壓縮回彈性應變可調的介電特性CPA-3為基體制備了一種CNTs/CPA-3復合氣凝膠傳感器。該應變傳感器具有高的靈敏度GF=6.53)和耐久性(2000個循環)響應時間為0.30 s顯示出其在智能電子電路中的巨大潛力


交聯聚酰亞胺氣凝膠的制備及分子構成


交聯聚酰亞胺氣凝膠的“類蜘蛛網”狀微觀結構


交聯聚酰亞胺氣凝膠的低介電特性和內部機理


交聯聚酰亞胺氣凝膠的耐溫和隔熱性能


CNTs/CPA-3復合氣凝膠基傳感器的制備與應用檢測


  作者基于“蜘蛛網”的生物啟發制備了一種新型交聯聚酰亞胺氣凝膠。區別于傳統的聚酰亞胺氣凝膠,這種基于仿生策略獲得的交聯聚酰亞胺氣凝膠實現了低介電-高隔熱-高傳感多重性能的協調聯控,為未來電介質材料的設計與研發提供了新思路,促進了聚酰亞胺在微電子工業領域的應用發展。本工作近期以“Versatile spider-web-like cross-linked polyimide aerogel with tunable dielectric permittivity for highly sensitive flexible sensors”為題發表于Chemical Engineering Journal (Doi: 10.1016/j.cej.2023.143034)上。第一作者為北京科技大學董曉迪博士,通訊作者為北京科技大學查俊偉教授和北方工業大學的趙全亮教授


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143034

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(責任編輯:xu)
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