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聚酰亚胺铌酸钾钠复合薄膜：制备工艺、结构表征与性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

聚酰亚胺（PI）作为一种高性能聚合物材料，自问世以来便备受关注。其分子主链中含有酰亚胺环，这一独特的结构赋予了聚酰亚胺众多优异的性能。在耐热性方面，聚酰亚胺表现卓越，玻璃化转变温度和熔点较高，能够在250℃以上的高温环境中长期稳定工作，部分品种的热分解温度甚至可达600℃，使其在航空航天、汽车制造等高温应用场景中不可或缺。从机械性能来看，聚酰亚胺强度高、韧性好，拉伸强度可达200-300MPa，弯曲强度为300-400MPa，远优于尼龙、聚碳酸酯等常见工程塑料，可用于制造对力学性能要求严苛的结构部件。此外，聚酰亚胺还具备优良的绝缘性，电阻率高，介电常数低，是电子电气领域理想的绝缘材料；化学性质稳定，能抵抗大多数酸、碱和有机溶剂的侵蚀；尺寸稳定性良好，在不同温度和湿度条件下，尺寸变化微小，确保了产品的精度和可靠性。

铌酸钾钠（KNN）基材料则是一类重要的压电和介电材料。其具有较高的机电耦合系数，这意味着在电能与机械能的转换过程中表现出色，能够高效地实现压电效应和逆压电效应，在传感器、换能器等领域有着关键应用。同时，铌酸钾钠基材料还拥有优异的稳定性，在一定的温度、电场等外部条件变化下，其物理性能波动较小，保障了相关器件的稳定运行。

然而，单一的聚酰亚胺或铌酸钾钠材料在某些应用场景中存在局限性。例如，聚酰亚胺的介电性能相对有限，在一些对介电常数有特定要求的微电子领域难以满足需求；而铌酸钾钠基材料虽然压电和介电性能突出，但柔韧性较差，限制了其在柔性器件中的应用。将聚酰亚胺与铌酸钾钠复合制备成复合薄膜，有望整合两者的优势。聚酰亚胺赋予复合薄膜良好的柔韧性、机械性能和热稳定性，使其能够适应复杂的使用环境和加工工艺；铌酸钾钠则为复合薄膜带来优异的压电和介电性能，拓展了其在电子器件领域的应用范围，如可用于制备柔性压电传感器、高介电常数的柔性电容器等，以满足现代电子设备向小型化、柔性化、高性能化发展的需求。

1.2国内外研究现状

在国外，对于聚酰亚胺铌酸钾钠复合薄膜的研究开展较早且较为深入。部分研究聚焦于制备工艺的优化，通过改进溶胶-凝胶法、溶液共混法等，致力于提高铌酸钾钠在聚酰亚胺基体中的分散均匀性。如[具体文献]中，研究人员采用改进的溶液共混法，先将铌酸钾钠纳米粒子进行表面修饰，再与聚酰亚胺溶液混合，有效提升了粒子的分散程度，进而增强了复合薄膜的综合性能。在性能表征方面，借助先进的测试技术，如高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、宽频介电谱仪等，深入探究复合薄膜的微观结构与电学性能之间的关联。有研究利用HRTEM观察到铌酸钾钠与聚酰亚胺界面的微观形态，结合介电测试结果，揭示了界面特性对介电性能的影响机制。在应用探索上，国外已尝试将该复合薄膜应用于柔性电子器件、传感器等领域，取得了一定的成果，如开发出基于复合薄膜的高灵敏度柔性压力传感器。

国内的研究也在近年来取得了显著进展。在制备技术上，除了对传统方法进行改良，还积极探索新的制备途径，如静电纺丝与热压成型相结合的方法，制备出具有特殊微观结构的复合薄膜，提升了薄膜的柔韧性和压电性能。在表征手段方面，国内研究团队同样运用多种先进设备，全面分析复合薄膜的结构和性能，包括利用X射线光电子能谱（XPS）分析元素的化学状态和界面的化学键合情况。在应用研究领域，国内致力于推动复合薄膜在国内电子产业中的应用，如研发适用于国内5G通信设备中的柔性介电元件。但目前国内外研究仍存在一些问题，如复合薄膜的制备工艺复杂、成本较高，限制了大规模生产；界面兼容性问题尚未完全解决，影响了性能的进一步提升。

1.3研究内容与创新点

本研究旨在通过溶液共混法制备聚酰亚胺铌酸钾钠复合薄膜。首先对铌酸钾钠粉体进行预处理，采用表面活性剂对其进行表面修饰，以改善其在聚酰亚胺溶液中的分散性。随后，将经过预处理的铌酸钾钠粉体与聚酰亚胺溶液按照不同的质量比例进行混合，通过磁力搅拌、超声分散等手段，确保两者均匀混合，得到均匀稳定的混合溶液。接着，将混合溶液进行流延成膜，再经过热亚胺化处理，使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，从而制得聚酰亚胺铌酸钾钠复合薄膜。

采用X射线衍射（XRD）分析复合薄膜的晶体结构，确定铌酸钾钠在复合薄膜中的晶相结构是否发生变化，以及其与聚酰亚胺之间是否存在相互作用导致晶格畸变等情况。利用扫描电子显微镜（SEM）观察复合薄膜的表面和断面微观形貌，了解铌酸钾钠在聚酰亚胺基体中的分散状态、颗粒大小和分布均匀性，以及两者之间的界面结合情况。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析复合薄膜的化学结构，确认聚酰亚胺的酰亚胺化程度以及铌酸钾钠与聚酰亚胺之间是否形成了新的化学键。

对复合薄膜的介电性能进