一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料及其制备方法和应用技术

本申请提供了一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料，包括依次叠加设置的聚酰亚胺层、金属氧化物层和氟化层，所述聚酰亚胺复合材料的表面粗糙度为11～86nm。本申请提供的聚酰亚胺复合材料，在聚酰亚胺薄膜表面上引入金属氧化物层后再于金属氧化物层上引入氟化物层，使得具有一定厚度的氟化层在聚酰亚胺上的粘结性强，各层彼此之间的层间结合力更好，并且最终获得的材料在不破坏聚酰亚胺原有的优异性能的基础上，还具有优异的机械性能、更低的二次电子发射系数、更高的沿面闪络电压及超疏水性能，适用于作为航天器的绝缘部件材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料及其制备方法和应用
本申请涉及高电压绝缘
，具体涉及一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
聚酰亚胺是一种具有优异综合性能的聚合物材料，如力学性能、优良的电绝缘性、化学稳定性、耐辐射性、低的介电常数等，并且是目前已知的耐热性最好的高分子材料,可在555℃短期内保持其物理性能，长期使用温度高达300℃以上。聚酰亚胺复合材料已经作为结构和功能材料在航空航天工业、电力系统绝缘、航海电气设备结构及微电子方面得到了广泛的应用。然而，当聚酰亚胺材料应用于航天器的绝缘部件材料(例如太阳能电池板、内部电路板)时，由于航天器在空间运行过程中，时刻受到周围等离子体、高能带电粒子的轰击以及太阳电磁辐射引起的光电子发射等影响，带电粒子与航天器材料相互作用，将会引发表面二次电子发射和电荷俘获积累等过程，航天器表面电位可达几千到几万伏，当航天器不同部位间电位差超过放电阈值时，最终发生表面静电放电现象。航天器静电放电带来的电磁干扰影响甚至破坏航天器的通讯和电子系统，淹没无线电讯号，致使无线电通讯、控制系统、导航系统不能正常工作，从而造成设备故障、误动作乃至系统失效，并且，放电形成的电弧会损伤航天器的表面材料，加快材料的老化，降低使用寿命，破坏太阳能电池板进而影响供电，而二次电子的产生和发射是形成微放电效应的必要条件。此外，当聚酰亚胺作为绝缘材料时，其沿面闪络电压远低于绝缘材料本身的击穿电压，是制约绝缘系统电气强度的最为关键因素。聚合物表面氟化处理是有效降低聚合物表面二次发射系数、提高沿面闪络电压的有效手段。然而，现有的氟化方法通常存在制备价格昂贵、制备过程危险、层间结合力差、时效性差及不利于大面积生产等问题，例如，专利CN110504074A提供了一种用于提高硅橡胶闪络电压的方法，该方法需要在密闭的反应室中，于合适的温度和压力条件下，使用由氟气和惰性气体组成的混合气对硅橡胶表面进行氟化处理，但是该方法制备过程危险、氟化程度不好控制、破坏聚酰亚胺本来的优异性能等问题，不利于大规模工业化生产；专利CN107237141A提供了一种表面改性的疏水聚酰亚胺织布的制备方法，将氟硅烷溶液滴在聚酰亚胺织布表面进行直接改性，该方法虽然简单，但氟化层在聚酰亚胺表面的粘结性和结合力较差，不利于材料性能的稳定性。
技术实现思路
为了解决上述问题，本申请旨在提供一种改进的聚酰亚胺复合材料，该复合材料相较于改进前的聚酰亚胺具有更高的沿面闪络电压、更低的表面二次电子发射系数以及很好的超疏水性能，该材料包括：依次叠加设置的聚酰亚胺层、金属氧化物层和氟化层，所述聚酰亚胺复合材料的表面粗糙度为11～86nm。本申请提供的聚酰亚胺复合材料，在利用氟化物对聚酰亚胺进行改性处理时，在聚酰亚胺层和氟化层之间引入了金属氧化物层，而金属氧化物的引入，一方面金属氧化物具有很好的绝缘性，有利于改善聚酰亚胺的电学性能；另一方面，相较于使用氟化物直接对聚酰亚胺处理的方式，由于全氟硅烷和金属氧化物之间会形成硅氧化学键合作用，使得氟化物与金属氧化物层的粘结性和层间结合力更好，有利于提高材料的结构和性能的稳定性。现有技术中提供了一些在聚酰亚胺和氟化物层之间引入金属层的材料，但金属层的导电性好，并不适用于航天绝缘领域，并且金属层需以纳米阵列的方式排布才能够有效附着氟化物，操作难度较大。优选的，所述聚酰亚胺层采用聚酰亚胺薄膜，该薄膜的厚度并不限定。在一种实施方式中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度可以是30～180μm。优选的，当聚酰亚胺薄膜的厚度为30～180μm时，其上设置的金属氧化物层的厚度为20～1000nm，氟化层的厚度为10～200nm。优选的，所述聚酰亚胺薄膜具有上下两个表面，其中至少一个表面上依次叠加有金属氧化物层和氟化层，优选上下两个表面分别依次叠加有金属氧化物层和氟化层。进一步地，所述氟化层为全氟硅烷层，所述全氟硅烷层选自全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种或多种。进一步地，所述金属氧化物层选自氧化锡、氧化钴、氧化锌、氧化铬、氧化铜、氧化铁、氧化铝中的一种或多种；优选的，所述金属氧化物层选自氧化铜、氧化钴、氧化锌、氧化铬中的一种或多种；更优选的，所述金属氧化物层是氧化铬。本申请发现，在特定金属的氧化物上附着氟化物，例如氧化铬，对提高聚酰亚胺的沿面闪络电压以及降低表面二次电子发射系数的效果更为显著。优选的，上述金属氧化物为金属离子在含有氧气的气氛(如空气)中进行热处理并充分氧化后获得的氧化物。另一方面，本申请还提供了一种制备上述高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料的方法，包括以下步骤：步骤一：用碱溶液对聚酰亚胺表面进行处理，洗涤；步骤二：将步骤一获得的聚酰亚胺用金属盐的溶液处理，获得表面含有金属离子的聚酰亚胺；步骤三：将步骤二获得的表面含有金属离子的聚酰亚胺在空气氛围下进行热处理，热处理的温度为200～500℃，获得表面具有金属氧化物的聚酰亚胺；步骤四：将步骤三获得的表面具有金属氧化物的聚酰亚胺浸入到含有氟化物的溶液中，取出后干燥即得。上述聚酰亚胺复合材料的制备方法，先通过强碱溶液使表层的聚酰亚胺结构开环形成酰胺基团和羧酸盐，再通过原位离子交换反应将目标可溶性金属盐上的金属离子交换到羧酸上，获得聚酰胺酸的金属盐络合物，然后在一定温度下进行热处理使聚酰亚胺表面形成一定厚度的目标金属氧化物层，最后将覆有金属氧化物层的聚酰亚胺浸入一定浓度的全氟硅烷的正己烷溶液中一定时间，通过自组装的方法在金属氧化物表面接枝形成一定厚度的氟硅烷层。一方面由于金属氧化物具有优异的电绝缘性能，同时金属氧化物具有较低二次电子发射系数，使得在聚酰亚胺表面附着金属氧化物后会获得低二次电子发射系数和高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料；另一方面，由于氟硅烷层中的C-F键能高，需要更高的电场产生的初始电子激发促进二次电子，以及氟电离电位高达17.4eV，在电子崩发展过程中氟的强电负性容易吸附电子形成负离子，阻碍电子崩的形成与发展，因此氟硅烷层能够有效降低聚酰亚胺表面二次电子发射系数，从而提升其表面沿面闪络电压。本申请发现，其中所述热处理温度对提高聚酰亚胺的沿面闪络电压以及降低表面二次电子发射系数的效果更为显著。进一步地，所述步骤一中的碱溶液为浓度至少是0.02mmol/L的氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的水溶液，处理条件为：于20～80℃下浸泡2～6h。进一步地，所述步骤二中，金属盐溶液的浓度不低于0.05mmol/L，处理条件为浸泡处理10分钟至30小时。进一步地，所述步骤二中，金属盐选自一价、二价和/或三价金属离子的硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、卤化物中的一种或多种；和/或，金属盐溶液的溶剂选自水、乙醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种。在一种实施方式中，可溶性的金属盐可以是氯化锡、硝酸锡、硫酸亚锡、溴化铜、氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、亚硝酸铜、甲酸铜、乙酸铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，包括依次叠加设置的聚酰亚胺层、金属氧化物层和氟化层，所述聚酰亚胺复合材料的表面粗糙度为11～86nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，包括依次叠加设置的聚酰亚胺层、金属氧化物层和氟化层，所述聚酰亚胺复合材料的表面粗糙度为11～86nm。


2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述氟化层为全氟硅烷层，所述全氟硅烷层选自全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述金属氧化物层选自氧化锡、氧化钴、氧化锌、氧化铬、氧化铜、氧化铁、氧化铝中的一种或多种；优选的，所述金属氧化物层选自氧化锡、氧化钴、氧化锌、氧化铬中的一种或多种；更优选的，所述金属氧化物层是氧化铬。


4.一种制备如权利要求1-3任一所述的高沿面耐电强度的聚酰亚胺复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：用碱溶液对聚酰亚胺表面进行处理，洗涤；
步骤二：将步骤一获得的聚酰亚胺用金属盐的溶液处理，获得表面含有金属离子的聚酰亚胺；
步骤三：将步骤二获得的表面含有金属离子的聚酰亚胺在空气氛围下进行热处理，热处理的温度为200～500℃，获得表面具有金属氧化物的聚酰亚胺；
步骤四：将步骤三获得的表面具有金属氧化物的聚酰亚胺浸入到含有全氟硅烷的溶液中，取出后干燥即得。


5.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠军，杨雄，宋佰鹏，杨宁，周润东，李文栋，王超，江智慧，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61