一文读懂高性能聚酰亚胺薄膜：从 “卡脖子” 到国产突围

在现代科技的飞速发展中，材料科学作为基础支撑，发挥着至关重要的作用。有一种材料，虽薄如蝉翼，却蕴含着巨大能量，它就是聚酰亚胺薄膜（PI 薄膜）。这一被誉为 “黄金薄膜” 的材料，在众多高科技领域中扮演着不可或缺的角色，同时也见证了我国从技术受限到自主创新突破的艰难历程。

聚酰亚胺（PI）是一个庞大的家族，指分子结构中含有酰亚胺基团的高分子化合物。它与碳纤维、芳纶纤维共同属于三大先进高分子材料，在高分子材料金字塔中居于顶端位置。

PI 具有高绝缘强度、耐高低温、低热膨胀系数、耐辐照、阻燃自熄、高稳定性以及良好的机械性能等特点，且在极宽的温度范围（零下 269℃-400℃）内，其性能都不会发生显著变化，因此被誉为 “二十一世纪最有希望的工程塑料之一”，甚至有说法称 “没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术”。

得益于其优异的综合性能及出色的加工性能，PI 可以制成除橡胶以外的各种形式的产品，如 PI 薄膜、PI 纤维、PI 泡沫、PI 基复合材料、光敏 PI（PSPI）等，产品类型的多样性在高分子材料中名列前茅。而其中，PI 薄膜又是最早实现商业化、最为成熟且市场容量最大的 PI 产品形式。

PI 薄膜，凭借其优良的力学性能、介电性能、化学稳定性以及极高的耐辐照、耐腐蚀、耐高低温性能，成为目前世界上性能最好的超级工程高分子材料之一，也因此被赋予 “黄金薄膜” 的美誉。它与碳纤维、芳纶纤维并称为制约我国发展高技术产业的三大瓶颈性关键高分子材料之一。

长期以来，高性能 PI 薄膜的生产制造技术被美国杜邦、日本钟渊化学等少数国外企业牢牢掌控，对我国实施严格的技术封锁。

按厚度规格来分，PI 薄膜一般可分为：

· 超薄膜（≤8 微米）

· 常规薄膜（8-50 微米，常见厚度有 12.5 微米、25 微米、50 微米）

· 厚膜（50-125 微米，常见厚度有 75 微米、125 微米）

· 超厚膜（＞125 微米）

从应用类别上，又可分为电工 PI 薄膜、电子 PI 薄膜、热控 PI 薄膜、航天航空用 PI 薄膜、柔性显示用 CPI 薄膜等。

电工 PI 薄膜主要功能是绝缘，常用于电磁线绕包材料及大功率电机、变压器的匝间 / 层间绝缘。它主要包含两类：

· 耐电晕 PI 薄膜：主要用于变频电机、发电机等的高等级绝缘系统，在高速轨道交通、风力发电等领域发挥着关键作用。它能保护绝缘系统免受变频电机运行时局部放电的破坏，提高电机长期运行的可靠性，保障高速列车的运行安全，实现风电设备长寿命免维护。耐电晕特性是决定这类薄膜竞争力的主要因素。值得欣喜的是，国产产品近年来已实现商业化突破，打破了杜邦长期在该领域的全球垄断。

· C 级电工 PI 薄膜：主要用作耐温电机、变压器等产品的绝缘材料，具备耐高温与绝缘的功能，耐温等级可达 200℃以上。

电子 PI 薄膜是目前 PI 薄膜最大的细分市场，但同时也是国产化率最低的市场。它作为 FCCL（柔性覆铜板，生产 FPC 的基材）、封装基板（COF）等的核心原材料，广泛应用于消费电子、5G 通信、汽车、工控医疗、航天军工等各个终端行业。同样包含两类：

· 电子基材用 PI 薄膜：主要用于 FPC（柔性印制线路板）的制备，尺寸稳定性是其竞争力的关键特性。它作为绝缘基膜与铜箔贴合构成 FCCL 的基板部分，也可作为覆盖膜贴覆于 FPC 表面，保护线路免受破坏与氧化。据数据显示，2017 年全球 FCCL 对于 PI 薄膜的需求从 2011 年的 9000 吨增长至 12500 吨，复合增速达 5.6%。2019 年，中国 FCCL 用 PI 薄膜的需求量为 5020 吨。

· 电子印刷用 PI 薄膜：制成的电子标签主要贴覆于 PCB 等产品表面，对其进行序列化标识，追溯生产全过程，帮助识别缺陷，主要应用于消费电子、5G 通信、汽车电子等领域。该产品的关键特性是良好的粘结适应性。

热控 PI 薄膜主要用于制备高导热石墨膜，以实现散热和导热功能。高导热石墨膜前驱体 PI 薄膜经碳化、石墨化后形成高导热石墨膜，再经过压延、贴合、模切等工序后装入电子产品。

决定该产品竞争力的主要特性是面内取向度和易于石墨化，而经 PI 薄膜烧制成的高导热石墨膜则需具备良好的导热性、耐弯折等关键特性。

航天航空用 PI 薄膜主要用于空间飞行器的热控或防护材料等，这要求它具备优异的耐高低温、耐辐照、低真空质量损失和低可凝挥发物等特性，以适应极端的太空环境。

柔性显示用 CPI 薄膜用于器件光学盖板等领域，如作为 OLED 屏幕盖板、触控传感器面板等，需具备高透光率、耐弯折等特性。

然而，CPI 薄膜的技术难度极高，目前全球仅有韩国 KOLON、日本住友化学等极少数几家日韩企业具备供应能力，国内尚无企业能够实现柔性显示用 CPI 薄膜的量产。

完整的高性能 PI 薄膜制备技术涵盖配方、工艺及装备三方面的核心技术，这三者紧密相连，缺一不可。仅仅在某一个方面具备突出能力，往往难以实现高性能 PI 薄膜的制备，更难以不断开发新的产品品类。

高性能 PI 薄膜的制备技术极为复杂，需要对 PAA 树脂配方进行精心设计，通过精确控制流涎热风干燥过程，获得厚度均匀的 PAA 凝胶膜，再经过定向拉伸伴随亚胺化过程制得，同时还需集成全自动控制系统来提高生产控制水平。

聚酰亚胺薄膜的制备工艺是一项复杂且精密的系统工程，不同的技术路径在具体操作上存在差异，但大体上都涉及一系列关键步骤。

以广泛应用的两步法为例，具体步骤如下：

1. 聚酰胺酸（PAA）的合成

这一步需要将二胺和二酐在极性溶剂（如 N,N - 二甲基乙酰胺）中进行反应。反应过程对温度、浓度、搅拌速度等参数要求极高，温度通常控制在较低水平（一般为 0-50℃），以避免过早发生亚胺化反应。通过精确控制这些条件，使两种单体充分反应，生成具有一定分子量和粘度的 PAA 溶液，这是后续制备 PI 薄膜的基础，其质量直接影响最终 PI 薄膜的性能。

2. 流涎成型

将合成好的 PAA 溶液通过流涎嘴均匀地涂布在不锈钢或其他惰性材料的载体上，形成一层连续的液膜。流涎过程中，涂布速度、溶液的粘度和浓度等因素会影响液膜的厚度均匀性，而厚度均匀性是保证 PI 薄膜性能一致性的关键。随后，对涂布好的液膜进行热风干燥，在适当的温度（通常为 80-150℃）下蒸发溶剂，使液膜逐渐固化，形成具有一定强度和韧性的 PAA 凝胶膜。

3. 拉伸处理

在 PAA 凝胶膜尚未完全干燥固化时，对其进行纵向和横向的拉伸。拉伸操作可以提高分子链的取向度，从而增强 PI 薄膜的力学性能和尺寸稳定性。拉伸的程度和速率需要精确控制，不同的产品要求对应不同的拉伸参数。

4. 亚胺化

这是将 PAA 凝胶膜转化为 PI 薄膜的关键步骤，分为热亚胺化和化学亚胺化两种方法：

· 热亚胺化：将拉伸后的 PAA 凝胶膜置于高温环境（一般为 200-400℃）下，通过加热使 PAA 分子链发生环化脱水反应，形成酰亚胺环，最终得到 PI 薄膜。

· 化学亚胺化：在 PAA 凝胶膜中加入化学脱水剂和催化剂，在较低温度下促使亚胺化反应进行。

亚胺化过程的温度、时间等参数会影响反应的完全程度，进而影响 PI 薄膜的性能，如耐热性、机械强度等。

PI 薄膜制备的技术路径在合成方法（一步法 / 两步法）、成型工艺（流涎法 / 流涎拉伸法）和亚胺化方法（热法 / 化学法）等方面存在区别。

· 两步法最早由美国杜邦公司开发并使用，后续业内主要公司如钟渊化学、PIAM、达迈科技，以及我国厂家大多采用此法。

· 日本宇部兴产则另辟蹊径，采用一步法合成制备 PI 薄膜（无需经过 PAA 树脂中间步骤），其产品具有高耐热性、高尺寸稳定性和低吸湿性等优良性能，在微电子领域得到广泛应用。

以下为不同技术路径的对比分析：

随着对 PI 薄膜研究的不断深入，其应用领域也在持续拓展。除了作为传统的介电材料，PI 薄膜作为功能材料实现的功能日益丰富，并且逐渐被开发成为一种结构材料。

从最初的耐高温绝缘介质应用，到如今在耐环境、超低温、高导热、超薄、结构支持、透光性等功能性应用方面的需求越来越广泛，尤其适合下游特种制程工艺、易于加工等特性也逐渐成为新产品竞争力的重要因素。

同时，在下游市场需求的强劲驱动下，高性能 PI 薄膜不断涌现出新的应用场景，如 5G 通信、柔性 OLED 显示、新能源汽车等新产业。

高性能 PI 薄膜市场长期呈现国外寡头垄断的局面，国产化率不足 20%。全球高性能 PI 薄膜的研发和制造技术主要被美国、日本和韩国企业所掌握，美国杜邦、日本宇部兴产、日本钟渊化学和韩国 PIAM 等厂商占据了全球 80% 以上的市场份额。

我国 PI 薄膜的产业化进程相对缓慢，虽然依靠自主研发在传统电工绝缘领域形成了较强的产业能力，但在航天航空、柔性电子、热控、柔性显示、集成电路、高端装备等高端领域，产业化能力仍然较弱，存在新产品种类不足、产品性能不稳定等问题。

不过，近年来我国企业也在不断努力突破技术瓶颈，如株洲时代华鑫新材料技术有限公司通过多年的技术攻关，建成了国内首条化学亚胺法 PI 薄膜生产线，实现了高性能 PI 薄膜的国产化，并在国际市场上赢得了一定份额。

高性能 PI 薄膜作为影响我国高新技术产业快速发展的 “卡脖子” 材料，市场需求正不断增长，国产化需求迫在眉睫。当前，行业呈现出市场扩容与技术突破并进的态势，国产替代进程也在加速推进。相信在我国科研人员和企业的不懈努力下，高性能 PI 薄膜领域将不断取得新的突破，为我国高新技术产业的发展提供坚实有力的支撑。