离子辐照PI电学性能与结构演化及激光退火影响研究
发布时间：2021-09-06 01:37
离子辐照技术能量输入高效,对材料的宏观性能与微观结构均产生重要影响,而激光退火技术能够对材料表面结构产生有效的调制作用。本文采用N/Ar离子辐照及辐照后激光退火对聚酰亚胺材料的电学性能进行改性,阐明了材料性能演化规律,表征了改性材料的微观结构和离子辐照损伤行为,揭示了离子辐照及辐照后的激光退火处理对聚酰亚胺材料的改性机制。研究结果表明,N/Ar离子辐照改性将提升聚酰亚胺材料的载流子浓度,降低材料电阻率,对于140 ke V 2E16 cm-2 N离子辐照试样,材料电阻率降低至109.0Ω·cm,较之原始样品(2.3×1016Ω·cm)降低14个数量级。材料在可见光波段的透过率显著降低,吸光度升高,光学带隙值降低,从而使得电子更易跃迁为载流子。离子辐照后,材料产生了g因子值为2.0025的热解碳自由基,随着位移吸收剂量的增加,自由基含量上升,二次微分谱半峰宽降低,半峰宽在高注量N离子辐照试样中降低更明显。材料内部的未成对电子寿命增长,自旋状态趋于稳定,表面结构向局域化状态转变。离子辐照改性产生的位移损伤使得酰胺环开环,氨基与羰基降解,呈现出由s...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脂肪型和芳香性聚酰亚胺
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-能较高的一种，已被广泛应用于绝缘材料、介电材料和电子信息材料柔性基底等行业当中[6]。总的来说，PI是目前处于高分子材料金字塔顶端的材料，有巨大的发展潜力。然而，因其极高的电绝缘性能（电阻率可达1016-1017Ω·cm量级）与表面绝缘效应，为了保证聚酰亚胺材料在电子电气领域的应用，调整和控制其电学性能与表面电学性能变化行为是十分必要的。除此之外，聚酰亚胺是高度刚性的分子，在加工过程当中难以较好成型，缩合型聚酰亚胺的这种劣势更为明显，分子链一旦在加工过程中闭环就很容易得到不熔不溶的聚合物。聚酰亚胺材料的主链上主要包含苯环和酰亚胺环，由于这种结构的电子极化特点和结晶度，导致聚酰亚胺存在明显的分子链作用，从而导致：（1）传统的聚酰亚胺不熔又不溶，难以加工；（2）所制得的材料在微电子领域的应用过程中难以兼顾膨胀系数与力学强度，另一方面，在应用于光通信领域时难以解决透明度低的问题，影响使用效果；（3）粘结性能不理想；（4）材料固化所需温度太高，对合成工艺的选择较为苛刻。图1-1脂肪型和芳香性聚酰亚胺图1-2均苯型聚酰亚胺材料(PMDA-ODA)单体结构式1.2.2聚酰亚胺材料在航天及电子信息领域的应用（1）聚酰亚胺材料在太阳能电池中的应用柔性薄膜电池在空间中的应用非常广泛，在极端环境下，不仅要求其重量较轻，同时要保证其在处于高-低温环境以及剧烈震动时依然能够保持优良的机械及电学性能以及良好的耐辐射性能。这使得飞行器及航天器的寿命得以极大保障。因此，其基板材料常常选用聚酰亚胺。全芳香性热塑性聚酰亚胺材料在日本SFU空间自由飞行器上得到了重要
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-11-重离子注入对聚酰亚胺材料结构产生的影响较为明显，Kim等人[51]选用氩离子与氧离子对聚酰亚胺材料进行辐照，使其表面发生改性，接着在辐照表面上溅射金属铜。研究发现提高两种离子的辐照注量将使得聚酰亚胺表面与铜层之间的结合强度显著提高。T.Kobayashi等[52]采用5×1017ions/cm2注量的W离子对聚酰亚胺材料进行辐照改性，结果显示，辐照完成后，聚酰亚胺薄膜表面辐照区域内形成了W-C和W-O键，同时部分W原子由于溅射作用留在薄膜表面，辐照注量在1×1016-1×1017ions/cm2范围内材料改性表面的耐摩擦磨损性能将提升。Miková等[53]采用1MeV能量的Ni离子对聚酰亚胺材料进行辐照，研究发现随着辐照注量的升高，材料表面的粗糙度有降低趋势，注量较低时并不明显(1×1013ions/cm2、1×1014ions/cm2)，注量达到1×1015ions/cm2时表面粗糙度有明显下降。Kakitani等[54]采用560MeV能量的Xe离子辐照聚酰亚胺，制备出孔径为0.83±0.02μm尺寸的离子轨道膜，之后采用100keV能量的Ar离子对离子轨道膜进行辐照，使得粒子轨道内壁发生碳化，其表面的RBS图谱和拉曼图谱见图1-4。辐照后氧元素含量降低，碳元素含量上升，说明材料表面发生了降解并产生了碳元素的富集，拉曼光谱中出现了D峰和G峰，这是碳元素高度无序的表现。随后采用Ar离子辐照后的碳化层作为电极，在离子轨道膜上沉积Pt从而得到纳米Pt锥，其工艺流程如图1-5。图1-4100keVAr离子辐照后RBS及Raman图谱[54]
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间远紫外辐照聚酰亚胺薄膜力学性能演化机理[J]. 沈自才,马子良,代巍,牟永强,白羽,丁义刚. 表面技术. 2018(05)
[2]导电聚氨酯泡沫的制备[J]. 隋泽华,石培健,魏欣,张均,姜志国. 化学推进剂与高分子材料. 2017(05)
[3]聚酰亚胺合成及应用进展[J]. 李华南,封伟,王挺. 吉林建筑大学学报. 2017(02)
[4]碳纤维/丙烯酸聚氨酯导电涂料制备及其性能研究[J]. 陈亮. 表面技术. 2016(08)
[5]空间近紫外辐照聚酰亚胺薄膜力学性能演化机理[J]. 沈自才,高鸿,牟永强,白羽,丁义刚,刘业楠,王志浩. 真空科学与技术学报. 2016(04)
[6]激光刻蚀聚酰亚胺基底铝薄膜的温度场模拟[J]. 刘孝丽,熊玉卿,杨建平,王瑞,吴敢,任妮. 中国激光. 2015(07)
[7]高分子材料导电性能改善研究进展[J]. 张盼,何宇航,张琪,刘亮亮,黎厚斌. 包装学报. 2014(04)
[8]IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示[J]. 沈自才,张帆,赵春晴,刘宇明,丁义刚,牟永强. 航天器工程. 2012(02)
[9]聚噻吩/多壁碳纳米管复合材料结构与导电机理的研究[J]. 王红敏,梁旦,韩菲菲,唐国强,徐学诚. 化学学报. 2008(20)
[10]渗流理论在复合型导电高分子材料研究中的应用[J]. 杨建高,刘成岑,施凯. 化工中间体. 2006(02)
硕士论文
[1]类玻璃碳膜和聚酰亚胺薄膜的紫外辐照改性研究[D]. 钟方尚.西南交通大学 2018
[2]空间碎片撞击供电太阳能电池阵的力电效应研究[D]. 宋继秋.沈阳理工大学 2018
[3]聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料的制备与性能研究[D]. 陈乐.江南大学 2017
本文编号：3386475
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脂肪型和芳香性聚酰亚胺
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-能较高的一种，已被广泛应用于绝缘材料、介电材料和电子信息材料柔性基底等行业当中[6]。总的来说，PI是目前处于高分子材料金字塔顶端的材料，有巨大的发展潜力。然而，因其极高的电绝缘性能（电阻率可达1016-1017Ω·cm量级）与表面绝缘效应，为了保证聚酰亚胺材料在电子电气领域的应用，调整和控制其电学性能与表面电学性能变化行为是十分必要的。除此之外，聚酰亚胺是高度刚性的分子，在加工过程当中难以较好成型，缩合型聚酰亚胺的这种劣势更为明显，分子链一旦在加工过程中闭环就很容易得到不熔不溶的聚合物。聚酰亚胺材料的主链上主要包含苯环和酰亚胺环，由于这种结构的电子极化特点和结晶度，导致聚酰亚胺存在明显的分子链作用，从而导致：（1）传统的聚酰亚胺不熔又不溶，难以加工；（2）所制得的材料在微电子领域的应用过程中难以兼顾膨胀系数与力学强度，另一方面，在应用于光通信领域时难以解决透明度低的问题，影响使用效果；（3）粘结性能不理想；（4）材料固化所需温度太高，对合成工艺的选择较为苛刻。图1-1脂肪型和芳香性聚酰亚胺图1-2均苯型聚酰亚胺材料(PMDA-ODA)单体结构式1.2.2聚酰亚胺材料在航天及电子信息领域的应用（1）聚酰亚胺材料在太阳能电池中的应用柔性薄膜电池在空间中的应用非常广泛，在极端环境下，不仅要求其重量较轻，同时要保证其在处于高-低温环境以及剧烈震动时依然能够保持优良的机械及电学性能以及良好的耐辐射性能。这使得飞行器及航天器的寿命得以极大保障。因此，其基板材料常常选用聚酰亚胺。全芳香性热塑性聚酰亚胺材料在日本SFU空间自由飞行器上得到了重要
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-11-重离子注入对聚酰亚胺材料结构产生的影响较为明显，Kim等人[51]选用氩离子与氧离子对聚酰亚胺材料进行辐照，使其表面发生改性，接着在辐照表面上溅射金属铜。研究发现提高两种离子的辐照注量将使得聚酰亚胺表面与铜层之间的结合强度显著提高。T.Kobayashi等[52]采用5×1017ions/cm2注量的W离子对聚酰亚胺材料进行辐照改性，结果显示，辐照完成后，聚酰亚胺薄膜表面辐照区域内形成了W-C和W-O键，同时部分W原子由于溅射作用留在薄膜表面，辐照注量在1×1016-1×1017ions/cm2范围内材料改性表面的耐摩擦磨损性能将提升。Miková等[53]采用1MeV能量的Ni离子对聚酰亚胺材料进行辐照，研究发现随着辐照注量的升高，材料表面的粗糙度有降低趋势，注量较低时并不明显(1×1013ions/cm2、1×1014ions/cm2)，注量达到1×1015ions/cm2时表面粗糙度有明显下降。Kakitani等[54]采用560MeV能量的Xe离子辐照聚酰亚胺，制备出孔径为0.83±0.02μm尺寸的离子轨道膜，之后采用100keV能量的Ar离子对离子轨道膜进行辐照，使得粒子轨道内壁发生碳化，其表面的RBS图谱和拉曼图谱见图1-4。辐照后氧元素含量降低，碳元素含量上升，说明材料表面发生了降解并产生了碳元素的富集，拉曼光谱中出现了D峰和G峰，这是碳元素高度无序的表现。随后采用Ar离子辐照后的碳化层作为电极，在离子轨道膜上沉积Pt从而得到纳米Pt锥，其工艺流程如图1-5。图1-4100keVAr离子辐照后RBS及Raman图谱[54]
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间远紫外辐照聚酰亚胺薄膜力学性能演化机理[J]. 沈自才,马子良,代巍,牟永强,白羽,丁义刚. 表面技术. 2018(05)
[2]导电聚氨酯泡沫的制备[J]. 隋泽华,石培健,魏欣,张均,姜志国. 化学推进剂与高分子材料. 2017(05)
[3]聚酰亚胺合成及应用进展[J]. 李华南,封伟,王挺. 吉林建筑大学学报. 2017(02)
[4]碳纤维/丙烯酸聚氨酯导电涂料制备及其性能研究[J]. 陈亮. 表面技术. 2016(08)
[5]空间近紫外辐照聚酰亚胺薄膜力学性能演化机理[J]. 沈自才,高鸿,牟永强,白羽,丁义刚,刘业楠,王志浩. 真空科学与技术学报. 2016(04)
[6]激光刻蚀聚酰亚胺基底铝薄膜的温度场模拟[J]. 刘孝丽,熊玉卿,杨建平,王瑞,吴敢,任妮. 中国激光. 2015(07)
[7]高分子材料导电性能改善研究进展[J]. 张盼,何宇航,张琪,刘亮亮,黎厚斌. 包装学报. 2014(04)
[8]IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示[J]. 沈自才,张帆,赵春晴,刘宇明,丁义刚,牟永强. 航天器工程. 2012(02)
[9]聚噻吩/多壁碳纳米管复合材料结构与导电机理的研究[J]. 王红敏,梁旦,韩菲菲,唐国强,徐学诚. 化学学报. 2008(20)
[10]渗流理论在复合型导电高分子材料研究中的应用[J]. 杨建高,刘成岑,施凯. 化工中间体. 2006(02)
硕士论文
[1]类玻璃碳膜和聚酰亚胺薄膜的紫外辐照改性研究[D]. 钟方尚.西南交通大学 2018
[2]空间碎片撞击供电太阳能电池阵的力电效应研究[D]. 宋继秋.沈阳理工大学 2018
[3]聚酰亚胺纤维增强树脂基复合材料的制备与性能研究[D]. 陈乐.江南大学 2017
本文编号：3386475
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