＊張成一

（北京大學(xué) 北京 100091）

隨著航空航天、汽車(chē)、電子、能源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高溫環(huán)境下材料性能的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的高分子材料在高溫條件下往往表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，因此需要開(kāi)發(fā)新型的高溫耐熱高分子材料。新型高溫耐熱高分子材料是一類具有良好高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能的材料，能夠在高溫環(huán)境下保持其結(jié)構(gòu)完整性，具有較好的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和耐腐蝕性，在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出良好的性能,隨著新型高溫耐熱高分子材料的研究和開(kāi)發(fā)不斷取得進(jìn)展，為高溫環(huán)境下的工程應(yīng)用提供了可靠的材料解決方案。同時(shí)，還可以通過(guò)改性和復(fù)合等方法進(jìn)一步提升它們的性能，滿足不同領(lǐng)域的需求[1]。

1.高溫耐熱高分子材料的應(yīng)用前景和現(xiàn)狀

（1）工業(yè)領(lǐng)域：高溫耐熱材料在諸如航空、航天、能源、化工等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，高溫耐熱材料可用于制造引擎部件、渦輪葉片、航天器熱防護(hù)等；在能源行業(yè)，可以應(yīng)用于核能、石油化工等領(lǐng)域的高溫設(shè)備、管道和儲(chǔ)存設(shè)施。

（2）汽車(chē)工業(yè)：隨著汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，高溫耐熱材料在汽車(chē)工業(yè)中變得越來(lái)越重要。例如，電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)的電池組件需要能夠耐受高溫環(huán)境，以確保其安全性和性能穩(wěn)定性。

（3）電子電氣領(lǐng)域：高溫耐熱材料在電子電氣領(lǐng)域中也有應(yīng)用。例如，高溫耐熱塑料可用于制造電子元器件的封裝和絕緣材料，以滿足電子設(shè)備在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行需求。

（4）新能源領(lǐng)域：隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，高溫耐熱材料也將扮演重要角色。例如，太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源設(shè)備需要在高溫環(huán)境下工作，并且需要耐受較高溫度的材料以提高能源利用效率和設(shè)備壽命。

2.高溫耐熱高分子材料的合成方法

(1)高溫穩(wěn)定性聚合物的設(shè)計(jì)與合成

①高溫穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)單體的選擇和設(shè)計(jì)。在高溫條件下，聚合物分子必須具備一定的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)高溫穩(wěn)定性聚合物時(shí)，需要選擇和設(shè)計(jì)具有高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性和抗氧化性等特性的化學(xué)結(jié)構(gòu)單體。常見(jiàn)的高溫穩(wěn)定性單體包括芳香環(huán)狀結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)和含有穩(wěn)定化基團(tuán)的結(jié)構(gòu)。此外，還可以通過(guò)引入交聯(lián)基團(tuán)、增加分子量以及控制分子結(jié)構(gòu)等手段來(lái)提高聚合物的高溫穩(wěn)定性。

②高溫穩(wěn)定的共聚物和共交聯(lián)體的制備。共聚物和共交聯(lián)體可以通過(guò)混合兩種或多種具有不同性質(zhì)的單體來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫穩(wěn)定性的提高。例如，通過(guò)選擇具有不同穩(wěn)定性的單體進(jìn)行共聚，在共聚物中形成相互作用力，提高聚合物的高溫穩(wěn)定性。共交聯(lián)體則是將兩種或多種聚合物進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，形成高溫穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。共聚物和共交聯(lián)體的制備可以通過(guò)傳統(tǒng)的聚合反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)、交聯(lián)共聚等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)高溫耐熱纖維材料的制備技術(shù)

高溫耐熱纖維材料的制備技術(shù)對(duì)于高溫環(huán)境下的材料需求非常重要。以下是關(guān)于高溫耐熱纖維材料制備技術(shù)的兩個(gè)主要方面：

①碳纖維的制備方法和改良。碳纖維是一種具有優(yōu)異高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度的材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。碳纖維的制備主要通過(guò)兩個(gè)步驟：纖維前驅(qū)體的制備和炭化過(guò)程。纖維前驅(qū)體可以由聚丙烯腈（PAN）纖維、天然纖維或其他聚合物纖維制備而成。在炭化過(guò)程中，通過(guò)高溫處理，去除非碳元素并形成純碳結(jié)構(gòu)。為了改良碳纖維的性能，可以通過(guò)控制制備工藝參數(shù)（如拉伸速度、氣氛等）、表面處理、熱處理等方法實(shí)現(xiàn)。此外，還可以利用碳纖維表面涂覆或復(fù)合其他材料來(lái)增強(qiáng)其性能。

例如，PAN基碳纖維的制備應(yīng)選擇合適的聚丙烯腈（PAN）纖維作為原料，纖維的質(zhì)量和純度對(duì)最終得到的碳纖維的性能有重要影響。首先將PAN纖維進(jìn)行預(yù)處理，包括去除雜質(zhì)、改性等，常用的方法包括洗滌、溶解、漂白以及化學(xué)改性等，隨后將預(yù)處理后的PAN纖維進(jìn)行拉伸，使其在纖維軸向上具有較高的拉伸強(qiáng)度，將拉伸后的PAN纖維在高溫環(huán)境中進(jìn)行氧化處理，一般使用空氣或氧氣進(jìn)行氧化，以形成PAN纖維中的氧化物，經(jīng)過(guò)氧化處理的PAN纖維進(jìn)行碳化，一般采用高溫石墨化處理?？梢酝ㄟ^(guò)高溫爐、碳化爐等設(shè)備進(jìn)行碳化，碳化溫度通常在1000℃以上。

圖1 基本結(jié)構(gòu)單元

②聚酰亞胺纖維的合成和改性。聚酰亞胺纖維是一種高溫耐熱的纖維材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子等領(lǐng)域。聚酰亞胺纖維的合成可以通過(guò)溶液旋轉(zhuǎn)紡絲、濕法紡絲等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚酰亞胺材料具有極低的熱膨脹系數(shù)，一般在2×10-5/℃至3×10-5/℃之間。特別是聯(lián)苯型聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)僅約為1×10-6/℃，個(gè)別產(chǎn)品甚至可達(dá)到1×10-7/℃級(jí)別，接近金屬的熱膨脹系數(shù)。正是因?yàn)檫@種低熱膨脹系數(shù)的特性，聚酰亞胺廣泛應(yīng)用于柔性印刷電路板的制造。

3.高溫耐熱高分子材料的性能調(diào)控與優(yōu)化

(1)熱穩(wěn)定性的提升

①添加阻燃劑和熱穩(wěn)定劑。阻燃劑和熱穩(wěn)定劑是常用的方法，可用于提升高溫耐熱材料的熱穩(wěn)定性。阻燃劑可以抑制燃燒過(guò)程并減少煙霧產(chǎn)生，從而提高材料在高溫條件下的抗燃燒性能。熱穩(wěn)定劑可以降低材料在高溫環(huán)境下的熱降解速率，延長(zhǎng)其使用壽命。這些添加劑可以通過(guò)物理或化學(xué)作用與材料相互作用，形成保護(hù)層，防止熱分解和氧化反應(yīng)的發(fā)生。

②結(jié)構(gòu)改造和官能團(tuán)引入。通過(guò)結(jié)構(gòu)改造和引入特定官能團(tuán)，可以調(diào)控高分子材料的熱穩(wěn)定性。例如，引入芳香環(huán)狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定化基團(tuán)等有助于增強(qiáng)材料的抗氧化性能和穩(wěn)定性。對(duì)高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改造，可以提高材料的熱穩(wěn)定性。此外，合理設(shè)計(jì)材料的分子量和分子量分布也能對(duì)材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(2)機(jī)械性能的增強(qiáng)

①顆粒填充增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)。顆粒填充增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)是常用的方法，可用于提高高溫耐熱材料的機(jī)械性能。通過(guò)將高強(qiáng)度、高剛度的顆?；蚶w維填充到高分子基質(zhì)中，可以增加材料的剛度、強(qiáng)度和耐磨損性。顆粒填充可以通過(guò)改變填充劑的形狀、大小和濃度來(lái)調(diào)節(jié)材料的性能。纖維增強(qiáng)則通過(guò)將纖維與基質(zhì)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高材料的拉伸強(qiáng)度和模量。

②界面改性和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建。通過(guò)界面改性和構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)高溫耐熱高分子材料的機(jī)械性能。界面改性可以通過(guò)引入表面活性劑、接枝劑等，提高纖維與基質(zhì)之間的相容性和界面黏合力。這樣可以有效地傳遞應(yīng)力及增強(qiáng)材料的界面強(qiáng)度和耐久性。互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建可以通過(guò)交聯(lián)劑或添加劑引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和剛度。

通過(guò)顆粒填充增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)、界面改性和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等方法，可以顯著增強(qiáng)高溫耐熱高分子材料的機(jī)械性能。這些方法可以改善材料的抗拉伸強(qiáng)度、彈性模量、硬度和耐磨損性等機(jī)械性能指標(biāo)，提高材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。在進(jìn)行機(jī)械性能增強(qiáng)時(shí)，還需兼顧材料的熱穩(wěn)定性和其他性能要求的平衡。

(3)其他性能的改善與調(diào)控

①導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的提高。在一些特殊應(yīng)用中，如電子器件、熱管理系統(tǒng)等，提高高溫耐熱材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。為了提高導(dǎo)電性，可引入導(dǎo)電填料或摻雜導(dǎo)電添加劑，如碳納米管、石墨烯等。通過(guò)增加導(dǎo)電通路，使材料具備電導(dǎo)功能。而對(duì)于導(dǎo)熱性的提高，可以通過(guò)增加導(dǎo)熱填料或合成具有高導(dǎo)熱性的聚合物，以提高材料的導(dǎo)熱性能。

②抗化學(xué)侵蝕和耐老化性能的優(yōu)化。高溫環(huán)境中，材料常常面臨化學(xué)侵蝕和老化的問(wèn)題。因此，優(yōu)化高溫耐熱材料的抗化學(xué)侵蝕性和耐老化性能是十分重要的。可以通過(guò)合適的官能團(tuán)引入和化學(xué)交聯(lián)等方法，增強(qiáng)材料的化學(xué)穩(wěn)定性，阻止化學(xué)物質(zhì)的滲透和反應(yīng)。此外，采用合適的穩(wěn)定劑和抗氧化劑，也能延緩材料的老化過(guò)程并提高其使用壽命，使材料更加全面地滿足特定應(yīng)用的需求。這些改善和調(diào)控方法將在高溫環(huán)境下提供更好的性能和可靠性，拓寬高溫耐熱材料的應(yīng)用范圍。

4.高溫耐熱高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)電子電氣領(lǐng)域

①高溫電纜材料。在電力輸送和電子設(shè)備中，需要使用高溫耐熱材料來(lái)制造高溫電纜。這些電纜需要在高溫環(huán)境下傳輸電能，并保持良好的性能和安全性。高溫耐熱高分子材料可以用于制造電纜絕緣層、護(hù)套和導(dǎo)體等部件，以滿足高溫環(huán)境下的耐熱性、電絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度要求。

②高溫電子封裝材料。高溫電子封裝材料廣泛應(yīng)用于電子器件和芯片的封裝過(guò)程中。這些材料需要在高溫條件下提供良好的密封性、絕緣性和抗老化性能，以保護(hù)電子元器件免受高溫、濕度和化學(xué)物質(zhì)的影響。高溫耐熱高分子材料可以用于制造封裝膠粘劑、封裝基板和封裝填充材料等，確保電子元器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

(2)化工領(lǐng)域

①高溫反應(yīng)器材料。在化學(xué)反應(yīng)器中，需要使用具有高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的材料來(lái)承受高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)的作用。高溫耐熱高分子材料可以用于制造高溫反應(yīng)器的內(nèi)襯、密封件和管道等部件。這些材料能夠耐受高溫反應(yīng)條件下的腐蝕和熱循環(huán)，保持良好的穩(wěn)定性和性能[3]。

②高溫催化劑載體。在催化反應(yīng)中，高溫耐熱高分子材料可以作為催化劑的載體。催化劑載體需要具備較高的表面積和良好的熱穩(wěn)定性，以提供良好的催化活性和選擇性。高溫耐熱高分子材料可以提供較大的表面積，并在高溫條件下保持載體的穩(wěn)定性，確保催化劑的效率和壽命。

在化工領(lǐng)域中應(yīng)用高溫耐熱高分子材料可以有效提高化工過(guò)程的效率和安全性。這些材料能夠在高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下保持穩(wěn)定性，并滿足化學(xué)反應(yīng)和催化過(guò)程對(duì)材料性能的要求。隨著化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和需求的增加，對(duì)這類高溫耐熱材料的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)[4]。

5.高溫耐熱高分子材料的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

（1）高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能的平衡。在高溫環(huán)境下，高溫耐熱高分子材料需要具備優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能。然而，改善一個(gè)方面往往會(huì)對(duì)另一個(gè)方面產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，挑戰(zhàn)是如何平衡高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能，以滿足特定應(yīng)用的要求。這需要通過(guò)合理的材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改造和添加劑調(diào)控等方法，綜合考慮材料的性能和穩(wěn)定性，并取得平衡[5]。

（2）成本和大規(guī)模生產(chǎn)問(wèn)題。高溫耐熱高分子材料通常具有較高的制備成本，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用中的推廣。因此，降低制備成本并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。此外，提高材料的可重復(fù)性和一致性，確保批量生產(chǎn)的質(zhì)量和性能的一致性也是關(guān)鍵問(wèn)題之一。通過(guò)開(kāi)發(fā)更有效的制備方法、降低原材料成本以及提高生產(chǎn)效率，可以解決成本和大規(guī)模生產(chǎn)的問(wèn)題。

（3）新材料的合成和創(chuàng)新。為了滿足不同領(lǐng)域?qū)Ω邷啬蜔岵牧系男枨?，需要不斷開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新新的材料。這包括設(shè)計(jì)和合成具有更高性能和穩(wěn)定性的高溫耐熱高分子材料，并探索新的材料體系和結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、界面改性和納米復(fù)合等方法，可以實(shí)現(xiàn)新材料的功能擴(kuò)展和性能提升[6]。

6.總結(jié)

總之，新型高溫耐熱高分子材料的研究與開(kāi)發(fā)是為了滿足高溫環(huán)境下材料性能需求的重要課題。通過(guò)設(shè)計(jì)合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能優(yōu)化等方法，不斷提高材料的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能和耐腐蝕性，從而實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下的可靠應(yīng)用，新型高溫耐熱高分子材料的研究與開(kāi)發(fā)對(duì)于滿足高溫環(huán)境下的材料需求具有重要意義。通過(guò)不斷優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和性能，可以推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，并為各個(gè)領(lǐng)域的高溫應(yīng)用提供可靠的材料解決方案。