北京科技大学查俊伟 CEJ：受“蜘蛛网”启发的高性能交联聚酰亚胺气凝胶

2023-04-30 来源：高分子科技

微电子产业的不断升级对便携式、小型化电子设备的电气性能提出了更高的需求。传统电介质材料的介电常数较高，由此产生的寄生电容效应严重，导致信号传输滞后、串扰和损耗增强，现已成为限制微电子技术领域集成电路发展的关键问题。同时，在实际运行工况下，电子设备不可避免地会受到外界极端环境的影响，电介质材料良好的保温性能也决定了设备在恶劣环境中的长期稳定性。

聚酰亚胺气凝胶作为一种高性能工程材料，由于富含空气而表现出优异的隔热和低介电特性，广泛用于微电子工业领域。然而，常见的线性聚酰亚胺气凝胶在冷冻干燥和亚胺化过程中体积稳定性较差，易造成合成过程中样品的体积收缩和结构坍塌。因此，设计合成一种具有稳固结构的低介电-高隔热聚酰亚胺气凝胶是促进微电子工业的发展的有效路径。

日前，北京科技大学查俊伟教授课题组设计了一种含有“类蜘蛛网”结构的交联聚酰亚胺气凝胶（CPA）。得益于内部稳固的网络结构，CPA表现出良好的压缩弹性、可调的介电常数和优异的隔热性能（λ=0.040 W/m?K）。此外，通过将CPA-3与碳纳米管（CTNs）组装获得的CNTs/CPA-3复合气凝胶可作为柔性应变传感器的基底材料。研究表明，CNTs/CPA-3复合气凝胶基传感器具有协同增强的灵敏度、高选择性和稳定性，并可实现“多点触控”应力检测。因此，设计合成的交联聚酰亚胺气凝胶可作为电子器件的理想衬底材料。

通过分子结构或空间框架的设计，可解决气凝胶内高弹性与高强度之间难以协调的问题。“蜘蛛丝”作为一种常见的生物基材料，在高倍显微镜下，其横截面呈圆形，其中一些组织的分子排列与橡胶的分子组织相当。这些部分相互交替，诱导了蜘蛛丝的高强度、高弹性和高韧性。因此，受自然界中“蜘蛛网”的启发，构建了一个与“蜘蛛网”性质相似的空间框架，以期赋予气凝胶高弹性和高模量。具体地，利用三（4-氨基苯胺）（TPA）作为交联剂设计并合成了一种具有高模量-高弹性的“类蜘蛛网”状交联聚酰亚胺气凝胶。通过变换TPA在合成单体中的占比，对CPA内部捕获的空气含量进行调节，从而对气凝胶的介电、热力学和隔热性能进行有效调控。当TPA所提供的氨基数在氨基总量中占15%时（即CPA-3），交联聚酰亚胺气凝胶的介电常数最低可至1.09，介电损耗为0.003 (f=10⁶ Hz)，导热系数仅为0.040 W/m?K。同时，利用有限元模拟分析了CPA中的传热过程，揭示了CPA隔热性能逐步增强的内部机理。由于CPA具有良好的压缩回弹性和应变可调的介电特性，以CPA-3为基体制备了一种CNTs/CPA-3复合气凝胶基传感器。该应变传感器具有高的灵敏度（GF=6.53）和耐久性（2000个循环），响应时间为0.30 s，显示出其在智能电子电路中的巨大潜力。

交联聚酰亚胺气凝胶的制备及分子构成

交联聚酰亚胺气凝胶的“类蜘蛛网”状微观结构

交联聚酰亚胺气凝胶的低介电特性和内部机理

交联聚酰亚胺气凝胶的耐温和隔热性能

CNTs/CPA-3复合气凝胶基传感器的制备与应用检测

作者基于“蜘蛛网”的生物启发制备了一种新型交联聚酰亚胺气凝胶。区别于传统的聚酰亚胺气凝胶，这种基于仿生策略获得的交联聚酰亚胺气凝胶实现了低介电-高隔热-高传感多重性能的协调联控，为未来电介质材料的设计与研发提供了新思路，促进了聚酰亚胺在微电子工业领域的应用发展。本工作近期以“Versatile spider-web-like cross-linked polyimide aerogel with tunable dielectric permittivity for highly sensitive flexible sensors”为题发表于Chemical Engineering Journal (Doi: 10.1016/j.cej.2023.143034)上。第一作者为北京科技大学董晓迪博士，通讯作者为北京科技大学查俊伟教授和北方工业大学的赵全亮教授。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143034

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（责任编辑：xu）

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