低密度聚乙烯/碳纳米颗粒复合材料的制备与电子辐照性能研究
发布时间：2021-12-11 20:03
聚合物材料具有轻质、高性能、低成本、可加工等优点,被广泛应用于航天器抗辐照材料领域。但是单一的聚合物高分子材料的性能往往不能达到人类对航天材料的要求。聚乙烯作为典型的航天材料,提高聚乙烯的性能显得尤为重要。本文通过将聚乙烯和具有优异物理性能的碳纳米颗粒进行复合,对复合后的材料进行结构和性能的表征与分析。以乙二胺四乙酸二钠为碳源,通过水热合成的方式制备出具有荧光效应的,粒径在5 nm左右的碳纳米颗粒（CNPs）,对所制备出的CNPs进行结构与性能的表征,将低密度聚乙烯（LDPE）通过溶剂溶解法与CNPs进行复合,最终获得质量分数为:0 wt.%LDPE/CNPs、2 wt.%LDPE/CNPs、5 wt.%LDPE/CNPs和10 wt.%LDPE/CNPs的复合材料。对不同CNPs含量的LDPE/CNPs复合材料进行结构和性能的表征。从XRD结果表明,随着不同CNPs含量的加入,晶相含量是先增大后减小的。主要由于CNPs表面存在大量羟基（-OH）、羧基（-COO-）等官能团,这些官能团的存在促进了LDPE的结晶,结晶强度增大。FTIR结果显示,随着CNPs含量的增加,复合材料的红外光谱...
【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】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间带电粒子辐射环境[16]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2地球辐射带示意图[21]因此，所有处在太空中的航天器活动区域范围内都会存在大量的带电粒子。具有两个典型特征：a.空间环境中的粒子主要以质子和电子为主；b.带电粒子的能量分布以及通量的大小都受周围空间环境等多重因素的影响而不断变化。通常情况下，与高能带电粒子相比，低能带点粒子对材料造成的损伤比高能带电粒子造成的损伤严重。由于高能带电粒子的射程大，容易穿过防护材料，从而在材料中沉积的能量较少。而低能带电粒子的射程小，容易在防护材料中堆积，从而产生热效应，导致防护材料发生性能的改变[22]。因此对带电粒子的辐射防护是极为重要的，特别是对工作中的航天器内部进行的有效防护，以防止带电粒子影响航天器内部的电子器件或者航天员的正常工作和活动。我们可以利用防护结构材料来吸收空间辐射粒子的能量，这样可以有效地保护航天器内电子器件和航天员免受带电粒子的辐照损伤。因此，针对这种抗辐射的防护材料进行辐射损伤效应的研究，揭示其防护机理并总结受在带电粒子辐照影响前后的材料性能演变规律是十分有必要的。1.2.2辐射损伤效应(1)电离损伤效应当空间粒子入射到处于工作状态的航天飞行器外表面的结构防护材料时，入射的带电粒子将会引起结构防护材料中的原子激发和电离，从而形成电子-空穴对等现象。而对于聚合物防护材料来说，带电粒子辐射容易使聚合物材料发生断键形成自由基，或失去电子成为离子等活性粒子，将会引起聚合物材料发生多种复杂的物理化学反应。带电粒子辐照会引起聚合物材料产生降解反应，带电粒子辐照使聚合物材料的大分子链断裂，形成分子量较小的分子链，最后将导致聚合物材料的某些性能发生改变[23]。带电粒子的辐照还会引发聚合物材料?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-会随机的组装成一个类似网状结构，这种现象将会引起聚合物材料的密度很大，使高分子材料的强度增加，而韧性发生下降。交联反应和降解反应两者都会对聚合物材料的各种性能产生较为显著的影响[24]。当带电粒子能量足够高时，带电粒子将会导致聚合物材料内部发生碳化反应，进而会引起聚合物材料的某些性能产生极大的影响。电离损伤效应对处于航天器内部的微电子器件所造成的辐照损伤重要表现为，当材料带电粒子吸收剂量的发生增加时，材料的性能将会逐渐降低。当带电粒子的吸收剂量被积累到某一程度时，将会引起微电子器件的某些功能失效，从而将会引起微电子器件无法正常工作运行。如图1-3所示[25]，带电粒子将会导致双极晶体管这种微电子器件的漏电流增加等。图1-370keV质子和110keV电子辐照双极晶体管电流增益随电离吸收剂量的变化[25](2)位移损伤效应与电离损伤效应不同的是位移损伤效应是指当带电粒子与防护材料的原子核发生弹性碰撞时，若带电粒子的能量高于防护材料的原子晶格能量时，就会使防护材料的原子脱离原来晶格所在的位置，而原来的晶格位子形成空位，此时就会形成缺陷[26]。当带电粒子与防护材料的原子核发生的是非弹性碰撞时，将会产生级联碰撞效应，级联碰撞是指被碰撞的防护材料的原子核脱离原来晶格的位置后会与其他的原子核发生碰撞，这种碰撞直至原子核不在运动为止。孙承月等[27]对电离损伤效应和位移损伤效应进行了研究，研究结果如图1-4所示，图1-4(a)为聚酰亚胺(PI)在不同波长条件下，光学性能损伤随着电离吸收剂量变化的曲线图。图1-4(b)为聚酰亚胺(PI)在不同波长条件下，光学损伤随位移吸收剂量变化的曲线图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]防中子辐射及中子检测用碳化硼/聚合物复合材料的研究进展[J]. 周成飞. 橡塑技术与装备. 2020(08)
[2]石墨烯/HDPE改性材料制备与性能表征[J]. 李茂东,周健,杨波,刘姿彤,黄国家. 江苏理工学院学报. 2019(06)
[3]载人深空探索中空间辐射防护技术的研究进展[J]. 赵磊,尚钰轩,袁爽,何欣叶,宓东,孙野青. 科学通报. 2019(20)
[4]空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理[J]. 刘婧,张海波. 物理学报. 2019(05)
[5]耐电子束辐照高分子材料改性研究进展[J]. 程志远,高长青,丁雪佳,王国胜,刘艳红. 中国塑料. 2017(12)
[6]近地空间辐射环境与防护方法概述[J]. 程彭超,闵锐. 辐射防护通讯. 2017(01)
[7]碳量子点的合成研究进展与展望[J]. 孙墨杰,赵志海,陈红梅,聂富强. 化学通报. 2016(08)
[8]空间电子辐射风险及其防护策略研究进展[J]. 贾向红,邹鸿,许峰,于向前,吴大尉,杨成佳,蒋睿,马洪波,宗秋刚. 航天医学与医学工程. 2014(06)
[9]抗辐照纳米材料的研究进展[J]. 沈同德,高欣海,于开元. 燕山大学学报. 2014(04)
[10]完善空间环境试验体系 提升航天型号研制生产基础保障能力——李锋总工程师在“空间环境试验与观测技术发展论坛”上的讲话（摘要）[J]. 李锋. 航天器环境工程. 2008(03)
博士论文
[1]LDPE/MWCNTs复合材料低能质子及电子辐照效应与机理[D]. 芮二明.哈尔滨工业大学 2014
[2]石墨烯和荧光碳纳米颗粒的制备及其电化学特性的研究[D]. 杜海军.华南理工大学 2010
[3]电子束辐照HDPE/EVA基纳米复合材料结构与性能的研究[D]. 刘慧.浙江大学 2010
[4]星用双极型器件带电粒子辐照效应及损伤机理[D]. 李兴冀.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]质子/电子辐照对SiPcs/PAN复合材料荧光性能影响及机制[D]. 左春艳.哈尔滨工业大学 2017
[2]带电粒子辐射聚醚醚酮力学行为及损伤机理研究[D]. 董赛赛.哈尔滨工业大学 2016
[3]质子辐照TiO2/PI自由基演化及其光学性能退化研究[D]. 曹争利.哈尔滨工业大学 2013
[4]基于复合材料的某飞机零部件轻量化研究[D]. 吕岗.吉林大学 2013
本文编号：3535310
【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】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间带电粒子辐射环境[16]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-2地球辐射带示意图[21]因此，所有处在太空中的航天器活动区域范围内都会存在大量的带电粒子。具有两个典型特征：a.空间环境中的粒子主要以质子和电子为主；b.带电粒子的能量分布以及通量的大小都受周围空间环境等多重因素的影响而不断变化。通常情况下，与高能带电粒子相比，低能带点粒子对材料造成的损伤比高能带电粒子造成的损伤严重。由于高能带电粒子的射程大，容易穿过防护材料，从而在材料中沉积的能量较少。而低能带电粒子的射程小，容易在防护材料中堆积，从而产生热效应，导致防护材料发生性能的改变[22]。因此对带电粒子的辐射防护是极为重要的，特别是对工作中的航天器内部进行的有效防护，以防止带电粒子影响航天器内部的电子器件或者航天员的正常工作和活动。我们可以利用防护结构材料来吸收空间辐射粒子的能量，这样可以有效地保护航天器内电子器件和航天员免受带电粒子的辐照损伤。因此，针对这种抗辐射的防护材料进行辐射损伤效应的研究，揭示其防护机理并总结受在带电粒子辐照影响前后的材料性能演变规律是十分有必要的。1.2.2辐射损伤效应(1)电离损伤效应当空间粒子入射到处于工作状态的航天飞行器外表面的结构防护材料时，入射的带电粒子将会引起结构防护材料中的原子激发和电离，从而形成电子-空穴对等现象。而对于聚合物防护材料来说，带电粒子辐射容易使聚合物材料发生断键形成自由基，或失去电子成为离子等活性粒子，将会引起聚合物材料发生多种复杂的物理化学反应。带电粒子辐照会引起聚合物材料产生降解反应，带电粒子辐照使聚合物材料的大分子链断裂，形成分子量较小的分子链，最后将导致聚合物材料的某些性能发生改变[23]。带电粒子的辐照还会引发聚合物材料?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-会随机的组装成一个类似网状结构，这种现象将会引起聚合物材料的密度很大，使高分子材料的强度增加，而韧性发生下降。交联反应和降解反应两者都会对聚合物材料的各种性能产生较为显著的影响[24]。当带电粒子能量足够高时，带电粒子将会导致聚合物材料内部发生碳化反应，进而会引起聚合物材料的某些性能产生极大的影响。电离损伤效应对处于航天器内部的微电子器件所造成的辐照损伤重要表现为，当材料带电粒子吸收剂量的发生增加时，材料的性能将会逐渐降低。当带电粒子的吸收剂量被积累到某一程度时，将会引起微电子器件的某些功能失效，从而将会引起微电子器件无法正常工作运行。如图1-3所示[25]，带电粒子将会导致双极晶体管这种微电子器件的漏电流增加等。图1-370keV质子和110keV电子辐照双极晶体管电流增益随电离吸收剂量的变化[25](2)位移损伤效应与电离损伤效应不同的是位移损伤效应是指当带电粒子与防护材料的原子核发生弹性碰撞时，若带电粒子的能量高于防护材料的原子晶格能量时，就会使防护材料的原子脱离原来晶格所在的位置，而原来的晶格位子形成空位，此时就会形成缺陷[26]。当带电粒子与防护材料的原子核发生的是非弹性碰撞时，将会产生级联碰撞效应，级联碰撞是指被碰撞的防护材料的原子核脱离原来晶格的位置后会与其他的原子核发生碰撞，这种碰撞直至原子核不在运动为止。孙承月等[27]对电离损伤效应和位移损伤效应进行了研究，研究结果如图1-4所示，图1-4(a)为聚酰亚胺(PI)在不同波长条件下，光学性能损伤随着电离吸收剂量变化的曲线图。图1-4(b)为聚酰亚胺(PI)在不同波长条件下，光学损伤随位移吸收剂量变化的曲线图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]防中子辐射及中子检测用碳化硼/聚合物复合材料的研究进展[J]. 周成飞. 橡塑技术与装备. 2020(08)
[2]石墨烯/HDPE改性材料制备与性能表征[J]. 李茂东,周健,杨波,刘姿彤,黄国家. 江苏理工学院学报. 2019(06)
[3]载人深空探索中空间辐射防护技术的研究进展[J]. 赵磊,尚钰轩,袁爽,何欣叶,宓东,孙野青. 科学通报. 2019(20)
[4]空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理[J]. 刘婧,张海波. 物理学报. 2019(05)
[5]耐电子束辐照高分子材料改性研究进展[J]. 程志远,高长青,丁雪佳,王国胜,刘艳红. 中国塑料. 2017(12)
[6]近地空间辐射环境与防护方法概述[J]. 程彭超,闵锐. 辐射防护通讯. 2017(01)
[7]碳量子点的合成研究进展与展望[J]. 孙墨杰,赵志海,陈红梅,聂富强. 化学通报. 2016(08)
[8]空间电子辐射风险及其防护策略研究进展[J]. 贾向红,邹鸿,许峰,于向前,吴大尉,杨成佳,蒋睿,马洪波,宗秋刚. 航天医学与医学工程. 2014(06)
[9]抗辐照纳米材料的研究进展[J]. 沈同德,高欣海,于开元. 燕山大学学报. 2014(04)
[10]完善空间环境试验体系 提升航天型号研制生产基础保障能力——李锋总工程师在“空间环境试验与观测技术发展论坛”上的讲话（摘要）[J]. 李锋. 航天器环境工程. 2008(03)
博士论文
[1]LDPE/MWCNTs复合材料低能质子及电子辐照效应与机理[D]. 芮二明.哈尔滨工业大学 2014
[2]石墨烯和荧光碳纳米颗粒的制备及其电化学特性的研究[D]. 杜海军.华南理工大学 2010
[3]电子束辐照HDPE/EVA基纳米复合材料结构与性能的研究[D]. 刘慧.浙江大学 2010
[4]星用双极型器件带电粒子辐照效应及损伤机理[D]. 李兴冀.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]质子/电子辐照对SiPcs/PAN复合材料荧光性能影响及机制[D]. 左春艳.哈尔滨工业大学 2017
[2]带电粒子辐射聚醚醚酮力学行为及损伤机理研究[D]. 董赛赛.哈尔滨工业大学 2016
[3]质子辐照TiO2/PI自由基演化及其光学性能退化研究[D]. 曹争利.哈尔滨工业大学 2013
[4]基于复合材料的某飞机零部件轻量化研究[D]. 吕岗.吉林大学 2013
本文编号：3535310
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