聚酰亚胺炭化膜

聚酰亚胺薄膜在热处理过程中结构演变模型
不同热处理温度下聚酰亚胺炭化膜的SEM图
不同热处理温度下聚酰亚胺炭化膜的SEM图
随着热处 理温度的 升高，碳 层结构有 序度越来 越高，接 近石墨结 构。
炭化及石墨化机理

在高温下，亚酰胺环沿C-N键断裂和脱羰基反应，形成具有共轭腈基及异腈基的苯环 型化合物，产生杂环的合并和脱除残留的氮、氧，生成连续巨大的芳杂环多环化合物 ，再经稠环芳构化，类石墨结构的六角碳网层面形成并逐渐长大。
双向拉伸聚酰亚胺薄膜叠层→碳化炉氩气气氛→加压 400~800℃热处理，每隔一定温度恒温1小时→热压炉 2500~2800℃高温石墨化处理→聚酰亚胺炭化膜
高温石墨化处理后，所得炭 化膜具有高的面向传导性能： 电阻率为0.79μΩ·m，热导率
为1000~1600W/m· K·
关键：控制炭化压力及500~800℃区间内的升温速率

聚酰亚胺炭化膜由乱层结构转化成具有层状多晶石墨结构的过程称为
石墨化，温度一般高于2500C。晶体尺度（Lc）由5nm增加到30nm以 上。

面间距(d)：由0.344nm以上降到0.3354nm（理想石墨）。
石墨化度G: (0.344-d002)/(0.344-0.3354)
3、应用

聚酰亚胺炭化膜是一种导电材料，可用于炭电极、生物医 学器件、低温加热元件、导电线路、电磁屏蔽、辐射及气 体检测元件。
5、武汉科技大学
将杜邦PI膜（50μm）经3000℃高温石墨化，形成三维有序堆积的石 墨层状结构和较为完整的石墨晶体。
石墨片层间距为0.336nm，层 片堆积高度达65.94nm，石墨 化度高达93%。室温面向电阻 率为0.48μΩ·m，面向热导率达 1000W/m· K 经3000℃热处理的SEM照片
6、北京化工大学
PI膜裁成14×14mm →一定压力和温度下层压成型→升温至1000℃→炭
化→中频感应石墨化炉，10℃/min，升温至2300 ℃， 2800 ℃，保温1 小时→石墨化
石墨化后材料体积与质量变化情况
2300 ℃石墨化后平均Lc为3nm，石墨化度15%，电阻率为4×10-5Ω·m； 2800 ℃石墨化 后平均Lc为6.7nm，石墨化度80%，电阻率为2×10-5Ω·m。
聚酰亚胺炭化膜
聚酰亚胺炭化膜简介
聚酰亚胺炭化机理
聚酰亚胺炭化膜的制备
一、聚酰亚胺炭化膜简介
1、炭化
聚酰亚胺经过热处理，使聚合物中的非碳成分如氢、氧、氮等全部或大部挥 发掉，剩余部分主要为炭，形成聚酰亚胺炭化膜。聚酰亚胺炭化膜主要是乱 层结构，若要得到导热性能良好的炭化膜，还需进一步石墨化处理。
2、石墨化(Graphitization)

石墨化过程中，经过分子重组，逐渐形成大的芳香片层，由杂乱无序的类石墨结构逐 渐向晶态的石墨结构转变。

随着石墨化温度升高，内部形成连续的致密杂环芳香炭的网，出现了有充分的π轨道的 重叠，炭化膜的电阻率逐渐减小，导电、导热性能逐渐提高。
石墨化前后性能变化
石墨化后聚酰亚胺炭化膜性能 普通聚酰亚胺的性能
PI膜裁成6×20mm →夹于氧化铝板之间，氧化铝板和PI膜中间隔层金箔→升温至900℃， 保温1小时，氮气保护→炭化→夹于石墨片之间，氩气保护升温至3000 ℃保温1小时→ 石墨化
500-750℃，CO、CO2、CH4的释放 600-900℃，H2的释放 900-1000℃，N2的释放
4、中国科学院山西煤炭化学研究院
2、丰桥技术科学大学
PI膜裁成10×30mm →夹于抛光的人造石墨片之间→1℃min-1升温至900℃，保温1小时， 氮气保护→炭化→石墨化炉中2000 ℃h-1升温至2100℃保温1小时，氩气保护→同样速率升 温至2800 ℃保温半小时→石墨化
从PI膜到石墨化膜， 厚度收缩大于长度和
宽度收缩
3、北海道大学
2丰桥技术科学大学pi膜裁成1030mm夹于抛光的人造石墨片之间1min1升温至900保温1小时氮气保护炭化石墨化炉中2000h1升温至2100保温1小时氩气保护同样速率升温至2800保温半小时石墨化从pi膜到石墨化膜厚度收缩大于长度和宽度收缩3北海道大学pi膜裁成620mm夹于氧化铝板之间氧化铝板和pi膜中间隔层金箔升温至900保温1小时氮气保护炭化夹于石墨片之间氩气保护升温至3000保温1小时石墨化500750coco2ch4的释放600900h2的释放0n9001000n2的释放4中国科学院山西煤炭化学研究院双向拉伸聚酰亚胺薄膜叠层碳化炉氩气气氛加压400800热处理每隔一定温度恒温1小时热压炉025002800高温石墨化处理聚酰亚胺炭化膜高温石墨化处理后所得炭化膜具有高的面向传导性能
体积电阻率大幅度降低，热导率大幅度升高。
三、聚酰亚胺炭化膜的制备 1、东京都大学
25μm Kapton →夹于抛光的人造石墨片之间→2℃min-1升温至900℃， 保温1小时→石墨化炉中1000-3000℃石墨化处理→聚酰亚胺炭化膜
2000℃以下，微晶尺寸小 于单晶石墨，2200℃左右， 由乱层结构向石墨结构转 变。

用作净化空气的金属陶瓷过滤器。 用作润滑剂，在300℃以上有低的摩擦系数。

二、聚酰亚胺炭化及石墨化过程
600℃时，聚酰亚胺结构分子径向排列打乱，随着温度升高逐渐向 晶态结构转变。700℃时羰基断裂，脱氧。800 ℃产生杂化的合并， 脱除残留的氮氧，形成多环化合物。
2300℃，碳体分子结构发生明显变化，有序性增大，无序性减少， 开始向六角平面的层状石墨结构转变。