破局“黃金膜”：基于特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型高性能聚酰亞胺超薄薄膜
在追求電子器件輕薄化、柔性化的今天，聚酰亞胺（PI）薄膜作為“黃金薄膜”仍是不可或缺的關(guān)鍵材料。然而，傳統(tǒng)PI在超薄化（<5μm）進(jìn)程中面臨機(jī)械強(qiáng)度驟降、缺陷敏感、尺寸穩(wěn)定性差等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。突破這一瓶頸，必須從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行創(chuàng)新。本文介紹一種通過(guò)特殊分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備新型高性能聚酰亞胺超薄薄膜的策略，并深入研究其顛覆性性能。
一、 創(chuàng)新核心：多維度特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本研究摒棄傳統(tǒng)單一剛性鏈結(jié)構(gòu)，采用一種多維度協(xié)同的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，其核心在于巧妙平衡分子的剛性、柔性和相互作用力，其設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響對(duì)比如下圖所示。
該設(shè)計(jì)具體體現(xiàn)在：
不對(duì)稱(chēng)扭曲非共平面結(jié)構(gòu)：在主鏈中引入不對(duì)稱(chēng)聯(lián)苯或大體積側(cè)基，有效破壞分子鏈的緊密堆積，抑制電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物（CTC）形成，不僅使薄膜顏色更淺，還增強(qiáng)了溶解性，利于制備更均勻的前驅(qū)體膠液。
“剛性-柔性”嵌段協(xié)同：在分子主鏈中精準(zhǔn)嵌入柔性醚鍵（-O-）或脂環(huán)單元。柔性單元賦予分子鏈適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)能力，使其在成膜過(guò)程中更易弛豫和排列，從而在超薄狀態(tài)下仍能保持良好的韌性和加工性；剛性單元?jiǎng)t保障了材料極高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械模量。
定向分子間作用力：在單體中引入特定基團(tuán)（如酰胺基、羧基），在分子間構(gòu)建強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這種物理交聯(lián)點(diǎn)可在不犧牲加工性的前提下，顯著增強(qiáng)分子鏈間的相互作用力，成為超薄薄膜抵御外力、防止裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵。
二、 超薄薄膜的精密制備工藝
基于上述特殊結(jié)構(gòu)單體，采用改進(jìn)的流延-拉伸法制備超薄薄膜，其精密制備流程如下圖所示：
工藝關(guān)鍵：在于亞胺化過(guò)程中的同步雙向拉伸技術(shù)。在PAA凝膠膜轉(zhuǎn)化為PI的過(guò)程中，施加精確控制的雙向應(yīng)力，使分子鏈實(shí)現(xiàn)高度取向和有序排列，極大提升了薄膜在面內(nèi)的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性，有效克服了超薄薄膜各向異性的缺點(diǎn)。
三、 性能研究：超薄卻更強(qiáng)韌
通過(guò)對(duì)厚度為3-5μm的薄膜進(jìn)行測(cè)試，其性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超薄PI薄膜：
機(jī)械性能：拉伸強(qiáng)度>450 MPa，楊氏模量>6 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率>15%。其強(qiáng)度堪比常用銅箔，可實(shí)現(xiàn)反復(fù)彎折而不破損。
熱穩(wěn)定性：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）>380°C，熱膨脹系數(shù)（CTE）<10 ppm/°C，與硅芯片匹配極佳，在高低溫循環(huán)中表現(xiàn)出了卓越的尺寸穩(wěn)定性。
電氣性能：表面電阻率高，介電強(qiáng)度>200 kV/mm，完全滿(mǎn)足微電子領(lǐng)域?qū)^緣材料的苛刻要求。
綜合特性：得益于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，薄膜在保持優(yōu)異綜合性能的同時(shí)，顏色更淺（淡黃色），透光性有所提升。
四、 結(jié)論與展望
本研究證實(shí)，通過(guò)多維度特殊分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精密可控的制備工藝相結(jié)合，能夠有效解決聚酰亞胺材料在超薄化過(guò)程中的性能衰減難題，制備出綜合性能顛覆性的新一代超薄薄膜。
該類(lèi)新型高性能聚酰亞胺超薄薄膜有望為下一代柔性顯示（可折疊OLED）、第五代通信技術(shù)（高頻基板）、三維先進(jìn)封裝、微型柔性傳感器等尖端領(lǐng)域提供關(guān)鍵材料支撐，為電子設(shè)備的形態(tài)創(chuàng)新與性能飛躍開(kāi)辟新的可能性。未來(lái)的研究將聚焦于結(jié)構(gòu)-性能的進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)控及其在具體器件中的服役行為研究。
