由于聚合物基纳米复合材料优异的机械、光学、电学及光伏等性能和广阔的应用前景, 利用纳米颗粒改善聚合物基体性质已经成为物理、化学和功能材料领域的前沿和热点。聚酰亚胺(polyimide, PI) 是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物, 其物理化学性质稳定,介电性能突出, 耐热和耐辐射性能好, 机械强度高,广泛应用于电气绝缘、电力电子、航天、航空等诸多领域。随着变频技术及电子器件小型化、多功能化的发展, 对聚酰亚胺的耐电晕性能、介电性能及力学性能等都提出了越来越高的要求, 纯聚酰亚胺已经很难满足工程应用各方面的要求. 通过掺杂不同种类、不同尺度的无机纳米颗粒, 能够显著提高其性能, 如美国杜邦公司Dupont CR 薄膜通过纳米氧化铝掺杂可以把PI 在50 Hz, 20 MV/m 电场下的寿命从200 h 提高到100000 h 以上; 二氧化硅颗粒的填充可以提高弹性模量, 大幅改善其抗拉伸强度和断裂伸长量; 引入钛酸钡、钛酸铜钙颗粒可以使复合薄膜的相对介电常数分别高达20 和49,远大于普通聚酰亚胺约3.4 的相对介电常数等。
在聚合物复合材料的设计和制备过程中, 纳米颗粒结构、尺寸, 纳米颗粒在基体中的分散状态, 纳米颗粒和聚合物基体之间相互作用等因素是决定材料性能优劣的关键因素. 因此, 需要对复合材料的内部结构和分子间的作用机制有更好的理解, 考察无机纳米粒子尺寸对其与聚合物基体间的表面、界面结构和键合方式的影响规律, 建立材料内部结构与性能之间的关系。 然而, 当填充物的尺寸减小到纳米尺度范围, 通过传统的实验方法很难准确、有效地控制纳米颗粒的尺寸、结构和在基体中的分散情况.纳米粒子的尺寸跨度、形状差异、局部团聚都会阻碍甚至混淆对复合材料物理化学参数与性能关系的定量考察和深入认识, 进而减缓对更高性能材料的设计与开发. 计算机模拟手段可以提供理想的方法, 有助于精确控制纳米粒子的尺寸和形状, 研究纳米颗粒填充物与聚合物基体的相互作用, 进一步确定影响聚合物基纳米复合材料性质的物理化学参数, 为新材料的设计提供理论和实验指导。
