摘要：聚酰亚胺(Polyimide, PI)因其优异的绝缘性能、热稳定性和力学性能，被认为是高温超导(HTS)电力传输电缆中极具前景的高温介电材料。为进一步提升其性能，本研究探究了掺入3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES)功能化SiO2纳米粒子的PI基纳米复合材料，以增强其介电与力学性能。研究人员合成五种组分：纯PI及掺入2、4、6、8 wt% APTES改性SiO2纳米填料的PI复合材料，并通过可控热酰亚胺化工艺制备纳米复合薄膜以确保聚酰胺酸(PAA)向PI的最大转化率及填料–基体间的强界面结合。研究人员通过综合表征评价其介电与力学性能：利用扫描电子显微镜(SEM)分析击穿后样品表面形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)确认PAA至PI的成功酰亚胺化。结果表明，PI/4 wt% APTES包覆SiO2纳米复合材料在室温(RT)下直流(DC)介电强度达298.2 kV/mm，93 K下达408.2 kV/mm，均显著高于溶胶–凝胶法(Sol-gel)衍生SiO2复合材料对应值；与Sol-gel SiO2体系相比，室温提升约85.2%，93 K提升约52.4%。此外，PI/4 wt% APTES-SiO2复合材料较纯PI表现出增强的力学性能。上述结果归因于APTES涂层促使SiO2颗粒与聚合物间形成强相互作用，提高了材料承受电场应力的能力并减少了陷阱电荷积累。
论文解读：采用APTES改性SiO2纳米填料增强聚酰亚胺基复合材料的介电与力学性能
本文发表于《Materials Chemistry and Physics》。高温超导(HTS)电力传输电缆、航空航天及微电子器件要求绝缘材料在极端温度条件下同时具备优异的介电强度、低介电损耗及良好力学性能。聚酰亚胺(PI)因出色的热稳定性与绝缘性被视为理想候选，但直接使用的性能仍有局限。引入SiO2纳米粒子可改善热和力学性能，然而未改性SiO2与有机PI基体相容性差，易团聚并产生界面缺陷，反而损害介电性能。溶胶–凝胶法合成的SiO2对介电强度改善有限甚至不利。用硅烷偶联剂如3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)对SiO2表面功能化可增强无机–有机界面结合、抑制电荷积聚，但其不同掺量对PI基纳米复合材料介电与力学行为的系统影响尚缺乏深入研究。为此，研究人员制备了不同APTES-SiO2掺量(0–8 wt%)的PI基纳米复合材料，系统评价室温与低温下的介电击穿强度、介电谱及拉伸性能，并与Sol-gel SiO2/PI体系对比，探讨最优配比与作用机制。
主要关键技术方法
研究人员以含15 wt% PAA(聚酰胺酸)的NMP溶液为前驱体，将商用APTES改性平均粒径约20 nm的SiO2纳米粉体按0、2、4、6、8 wt%在DMSO(二甲基亚砜)中超声分散后混入PAA溶液，旋涂成膜并经阶梯升温程序(最高370 ℃)完成热酰亚胺化制得厚度约18 μm的PI/SiO2纳米复合薄膜。采用SEM观察击穿通道与填料分散形貌，FTIR验证酰亚胺化。DC/AC介电击穿测试按ASTM D3755/D149分别在室温(RT, 约298 K)与93 K(液氮上方气态N2环境)进行，升压速率500 V/s。介电常数(ε′)与介电损耗(tan δ)在20 Hz–2 MHz扫频测量。拉伸测试按ASTM D882在RT与193 K(自制低温腔)以2 mm/min进行，获取极限抗拉强度(UTS)、弹性模量(E)与断裂伸长率，每组不少于3个样品。
Results and discussion
介电击穿强度测试结果：DC偏置下纯PI在RT为294.7 kV/mm，PI–4 wt% SiO2略升至298.25 kV/mm；AC偏置下PI–4 wt% SiO2亦最高(222.03 kV/mm vs 纯PI 218.37 kV/mm)。93 K时所有样品击穿强度显著升高，PI–4 wt% SiO2DC达408.25 kV/mm为最高。掺量效应呈先微降(2 wt%)、再升(4 wt%)、后降(≥6 wt%)的趋势，说明适量填料改善性能，过量引起团聚与局部场畸变使性能下降。与Sol-gel SiO2/PI相比，APTES-SiO2/PI–4 wt%在RT和93 K的DC介电强度分别提高约85.2%和52.4%。
Weibull统计分析：两参数Weibull分布分析显示PI–4 wt% SiO2的特征击穿场强(Eb)在RT DC下为302.6 kV/mm、93 K DC下为414.5 kV/mm，均为最高，但形状参数(β)略有降低，反映纳米填料引入轻微数据离散度增大，可能与局部微弱团聚有关。
SEM形貌分析：PI基纳米复合材料中SiO2在≤4 wt%时分散均匀，6 wt%开始出现团聚，8 wt%明显团聚。击穿通道直径PI基样品小于未酰亚胺化PAA样品，且具厚环状影响区，佐证较高耐击穿能力。
介电频谱与常数/损耗：1 kHz下纯PI介电常数ε′=3.77、tan δ=0.030；PI–4 wt% SiO2降至ε′=3.66、tan δ=0.025为最低，频率稳定性最好；6–8 wt%因团聚轻微回升。说明适量均匀分散纳米填料抑制界面极化。
FTIR分析：PAA特征峰(1630 cm−1酰胺C=O伸缩、~1399 cm−1O–H弯曲)在热处理后消失，出现PI特征酰亚胺环吸收峰(1782 cm−1C=O不对称伸缩、1364 cm−1C–N伸缩、720 cm−1C=O面外弯曲)，证实完全酰亚胺化；掺入SiO2未改变PI主峰，表明纳米复合过程化学稳定。
拉伸测试结果：RT下纯PI的UTS=167.3 MPa、E=3247 MPa；PI–4 wt% SiO2达UTS=174.0 MPa、E=3348 MPa为最优；更高掺量因团聚致性能回落。193 K下所有样品模量升高(纯PI达4274 MPa，PI–4 wt%达4406 MPa)，UTS与断裂伸长率降低(纯PI UTS降至144.3 MPa，断裂伸长率降至约4.82%；PI–4 wt% UTS=149.5 MPa)，表现由韧性向脆性转变，但4 wt%组仍保持最佳力学性能。
结论(Conclusions)部分翻译总结
本研究制备并表征了纯PI及APTES功能化SiO2增强PI纳米复合材料，并与Sol-gel SiO2/PI体系对比。含4 wt% APTES-SiO2的纳米复合材料表现出最优的介电强度和力学性能：室温DC介电强度较Sol-gel SiO2/PI提高约85.2%，93 K提高约52.4%。性能提升归因于APTES功能化增强了聚合物基体与纳米粒子间的界面粘结与分子相互作用。SEM显示PI基复合材料的击穿孔径小于PAA前驱体薄膜，FTIR证实了PAA向PI的成功热转化。研究结果表明，APTES改性SiO2/PI纳米复合材料特别是优化掺量(4 wt%)的体系，是高温超导系统等低温高压绝缘场合中具有应用潜力的高性能介电材料。未来工作将拓展电导率、热导率、热膨胀系数(CTE)及多尺度热致应变场研究以进一步优化材料设计。
