Near-Zero Thermal Expansion and High Heat-Resistance Polyimide Films Based on a Symmetric and Rigid Pyrazine Structure

热膨胀 聚酰亚胺 材料科学 吡嗪 均苯四甲酸二酐 玻璃化转变 复合材料 断裂韧性 弹性模量 聚合物 化学 有机化学 图层(电子)
作者
Feng Bao,Fuling Qi,Huanyu Lei,Feng Luo,Yanchun Cai,Xuemin Dai,Zhixin Dong,Xuepeng Qiu
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (1): 672-679 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsapm.2c01720
摘要

Regarding the applications of polyimide (PI) films in emerging flexible devices and precision apparatus, their low coefficient of thermal expansion (CTE), especially near-zero expansion, is an urgent requirement for weakening the internal stress between the organic/inorganic layers. Other properties of PI films including the high heat-resistance and superior toughness are also demanded in actual scenarios. Herein, a set of PI films was developed by copolymerization of 2,5-bis(4-aminophenyl)pyrazine (PRZ) into a pyromellitic dianhydride (PMDA)/4,4′-oxydianiline (ODA) system. The monocrystal analysis of the PRZ monomer reveals its rigid, symmetric, and nearly coplanar steric structure. Thanks to the synergy and balance of flexible ODA and rigid PRZ units in PI chains, the near-zero expansion, high heat-resistance, and optimal mechanical properties of the PI films are simultaneously achieved. Particularly, the PI film with ODA/PRZ = 4.5/5.5 presents a near-zero CTE of −0.41 ppm/K, high glass transition temperature (Tg) of around 417 °C, superior fracture strength of 191 MPa, and initial modulus of 3.83 GPa. Interestingly, via adjusting the ODA/PRZ ratios, the precise control of CTE values can be realized, enabling the thermal expansion matching of PI films on broad types of device substrates, e.g., Cu (15–17 ppm/K) and Si (3–5 ppm/K).
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