基于显著的物理化学性能,诸如:耐高温、耐辐射、高强度、高模量等,聚芳醚酮类聚合物作为高性能材料已成为航空、航天、核能、电子、电器、精密机械等军工和国民经济等重要行业部门不可缺少的材料。然而目前广泛应用的高性能聚合物材料都存在着不同程度的缺陷,无法满足人们的需求,这就使得性能更加完善的聚合物材料的开发与应用备受关注。目前,计算机模拟作为实验及理论研究之后的新型科学研究方法正逐步受到研究者的广泛关注,利用计算机模拟对所设计的高分子进行研究,不但能够缩短研究周期,降低成本,还能够比较准确的预测聚合物结构与性能之间的关系。聚亚胺酮(PIKs)是继聚醚酮类材料之后出现的一类新型聚芳基耐热高分子材料,目前已经被初步合成及应用。由于其热稳定性良好,溶解性能优异等显著的物理性能特点逐步受到人们的广泛关注。聚亚胺酮分子结构中的芳环通过羰基和亚胺基相连,理论上使得聚醚酮、聚苯胺和聚芳酰胺的优异性能得以综合。但目前对于聚亚胺酮的研究还处于初级阶段,所获得的聚合物存在种类单一、分子量不高、催化剂昂贵等缺点,并且人们对结构与性能之间关系的解释缺乏必要的理论及实验论证。本研究从计算机模拟的角度出发,通过模拟不同结构的聚亚胺酮来分析其性能特点;并在计算机模拟与分子设计的基础上,通过引入特定基团来改性聚亚胺酮,获得性能良好的功能性材料;然后将其制备成高性能薄膜,进行初步的应用研究。另外积极寻找新的合成方法,解决目前钯催化C-N偶联合成聚亚胺酮类材料催化剂昂贵,步骤繁琐等缺陷,采用铜催化C-N偶联以及亲核取代的方法获得聚亚胺酮。本研究内容如下:(1)通过控制不同的羰基与亚胺基的数量及比例合成结构不同的聚亚胺酮类材料,利用MS软件对各聚合物进行分子结构模拟,并针对部分性能进行模拟计算。通过对计算值与实际测试性能相比较,结果吻合性良好,证明利用分子模拟预测聚合物结构与性能之间的关系具有可行性。(2)对聚合物进行分子设计,在计算机模拟的基础上,通过单体引入特征基团来改性聚亚胺酮。本研究主要分为两部分:一是将醚键引入聚合物链,以此来增大分子链的活性,从而达到提高分子量及改善溶解性的目的;二是分别将Cardo结构的芴单元以及单独的芴基团引入聚亚胺酮分子主链,获得改性的聚亚胺酮类材料。通过MS软件模拟分子结构,理论上改性的聚亚胺酮具有更加优异的性能。实验测试结果表明改性的聚亚胺酮在保持了良好的热稳定性的同时,溶解性大幅度提高,与模拟计算值吻合性良好。并且芴基团引入了光学性能使其综合性能更加优异,成为高性能聚合物中极具应用前景的备选材料。(3)鉴于合成聚亚胺酮类材料催化剂昂贵,合成路线复杂等缺陷,对新的催化体系及合成工艺进行探索。本研究主要分为两方面:一是寻找合适的催化体系来替代昂贵且有毒的Pd/P催化体系,选用廉价易得的铜催化体系来催化反应;二是利用活性强的单体,采用有机亲核取代反应获得聚亚胺酮类材料。该反应,无需催化剂及配体,步骤简单,短时间内即可获得分子量巨大的聚合物,性能更加优异。(4)对改性的聚亚胺酮类材料进行初步应用研究。分别采用热压法和流延法将制备的聚亚胺酮制成薄膜材料,并对其热性能、光学性能以及力学性能等进行初步研究讨论。研究表明,所制备的高性能薄膜厚度均一,透明性良好,折射率较高且力学性能优异。