聚酰亚胺三层纳米复合薄膜界面结构及其与耐电晕性能关系研究

聚酰亚胺是一类在电气绝缘领域具有重要应用的高分子材料。本项目基于开发高性能聚酰亚胺材料及其结构的需求，针对目前研究中聚酰亚胺薄膜热、力、电性能不匹配的问题，采用叠层复合的方式对聚酰亚胺薄膜进行结构设计；研究薄膜三层复合的有效实现方法，通过控制单层膜间的厚度比、亚胺化温度和时间等因素，获得结构可控的聚酰亚胺三层复合薄膜；采用XPS、TEM、SAXS、AFM等手段分析薄膜的层间界面结构特征；借助电场力显微镜(EFM)、热激电流（TSC）、光激放电（PSD）、电致发光(EL)等方法分析复合薄膜内部电荷陷阱特性及空间电荷的储存与输运特性，并与复合薄膜的耐电晕性相联系，揭示材料层间界面结构与耐电晕性能间的关联性。本项目的研究对阐明聚酰亚胺三层复合薄膜在电场作用下的电晕老化行为及其界面结构演化规律，揭示其理化本质，具有重要意义。同时也将为探索聚酰亚胺复合材料的结构与性能的关联性提供理论依据和实验基础。

近代工业的发展对以聚酰亚胺为代表的绝缘材料的综合性能提出了更高要求，开展聚酰亚胺及其复合材料的结构设计，获得具有高综合性能的聚酰亚胺绝缘材料及其结构具有非常重要的实际意义。本项目以聚酰亚胺三层复合薄膜为研究对象，在对复合薄膜三层结构实现工艺的优化研究及微结构分析的基础上，重点开展了三层复合薄膜层间界面结构与其耐电晕性能的关联性研究，揭示了相应的理化本质并初步建立了界面结构与介电性能的关联机理，具体包括如下内容：1）开展了无机纳米杂化聚酰胺酸混合胶液的逐层铺膜及热亚胺化研究，获得了一系列不同无机含量、不同偶联剂改性及不同膜厚比的无机纳米/聚酰亚胺三层复合薄膜；以三层复合薄膜的光、热、力及电学性能为评价依据，分析了不同工艺参数对复合薄膜性能的影响；2）研究了聚酰亚胺三层复合薄膜层间界面微结构的特征，通过对层间复合界面微区显微结构的研究，获得了复合薄膜界面结构的形成和演变规律。结合薄膜的制备工艺信息，深入分析了不同工艺因素对薄膜界面结构的影响，明确了影响规律，并以此为指导，实现了复合薄膜界面微结构的控制与优化。3）开展了三层复合膜在电场作用下的空间电荷存储和输运特性研究，系统测试了三层复合薄膜的宽频介电谱、热激电流及光激放电特性，测试了复合薄膜在电场作用下沿厚度方向空间电荷的生成及分布特性；在此基础上，分析并掌握了不同界面结合程度对复合薄膜内部的空间电荷及陷阱特性的影响及其规律。4）从材料的具体使用环境出发，测试了聚酰亚胺三层复合薄膜的耐电晕性能，系统研究了复合薄膜在电晕老化过程中内部微结构的演变过程及其特点；结合薄膜内部电荷陷阱特性及空间电荷的存储和输运特性等信息，分析了高频脉冲电压下聚酰亚胺三层复合膜内部电晕老化降解机理及其形成机制，揭示了复合薄膜耐电晕性能与界面结构之间的关联性。通过本项目的实施，开发并掌握了高性能聚酰亚胺复合薄膜的层状结构设计的理论原理及实现方法，构建了复合薄膜耐电晕性能与其三层结构的耦合关系，形成了创新性成果。共发表学术论文12篇，其中SCI收录5篇，EI收录7篇。培养了4名硕士研究生并已取得硕士学位，另有2人正在攻读博士学位，1人正在攻读硕士学位。