应用于空间光学的聚合物薄膜性能研究

发布时间：2017-12-25 19:13

本文关键词：应用于空间光学的聚合物薄膜性能研究　出处：《中国科学院研究生院(光电技术研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为了解决未来航天技术对超大口径空间光学望远镜的需求,轻量化薄膜衍射光学技术将应用于空间光学成像系统中。传统的无机光学材料因其笨重易碎的特性,难以实现大口径薄膜衍射光学元件的制备。未来轻量化光学薄膜材料将以有机聚合物为主,但作为光学精密元件需长期暴露在空间环境下,除了能长期适应恶劣的空间环境外,还要满足光学应用需求。一般地,聚合物薄膜在空间环境下易发生降解,很难长期适应空间环境,光学性能、机械性能等也会逐渐退化。由此可见,薄膜材料是空间衍射光学系统关键技术之一,亟需解决。能完全满足上述要求的光学薄膜材料是难找的,只能通过对主要性能的比较分析,并对部分尚不满足性能采取改善或改性措施。本文围绕优选出的聚酰亚胺薄膜材料展开研究,在其优异的综合性能及潜在的改性空间的基础上,研究在空间环境下满足光学应用需求的聚酰亚胺薄膜,研究的最终目的是获得空间光学聚酰亚胺薄膜的分子设计知识,并在相关性能研究的基础上,制备出满足空间光学成像要求的聚酰亚胺薄膜。论文的主要研究工作包括以下几个部分:1.优选出聚酰亚胺并分析了光学性能及热力学性能参数要求。在对比了多种可能应用于空间光学系统的有机光学薄膜材料的基础上,优选聚酰亚胺为空间光学薄膜材料的改性对象,并分析了空间光学聚酰亚胺薄膜受真空环境、热循环环境、原子氧等空间因素的影响,研究得出光学聚酰亚胺薄膜光学均匀性要求以瑞利判据为主,需满足四分之一波长原则;另外,理论上热膨胀系数指标应接近零,但可通过光学离焦补偿来降低对薄膜材料热膨胀系数指标要求。2.通过分子设计合成了一系列聚酰亚胺薄膜并对其性能进行了表征与研究。结合空间光学聚酰亚胺薄膜的性能参数分析,通过分子设计理论,合成了刚性与柔性、含氟与不含氟、含氢键作用与无氢键作用的一系列光学聚酰亚胺薄膜,主要包括PAAF、PAI、PAAA三种架构的聚酰亚胺薄膜,采用激光干涉仪、应力双折射仪、分光光度计、红外光谱仪(FTIR)、热失重分析仪(TGA)、热机械分析仪(TMA)、动态机械性能分析仪(DMA)、凝胶渗透色谱仪(GPC)、电子万能试验机等对其性能进行了表征及对比分析。从结构与性能关系上得出了含氟与氢键作用的光学聚酰亚胺薄膜分子设计结论,讨论了刚性结构、含氟基团、氢键作用对光学聚酰亚胺薄膜性能的影响机理。3.通过三甲基氯硅烷活化机理合成了TMAC+TFBZ型聚酰亚胺,运用FTIR、DMA、TMA等测试方法对其进行了表征,获得了一种可溶的、低热膨胀系数(11.4ppm/℃)、高模量(4.0GPa)、无色透明(优于90%)的高性能聚酰亚胺薄膜,讨论了氢键作用的重要影响,分析了合成路线中的活化机理。4.在机械性能及热力学性能方面,通过引入强氢键相互作用,制备获得了高强高模(强度为295MPa,模量为10.6GPa)的聚酰亚胺薄膜材料,并且通过共聚方法可调节聚酰亚胺薄膜热膨胀系数接近于零,非常有利于满足空间热交变环境下的尺寸稳定性。5.对柔性光学聚酰亚胺薄膜作为光学媒介的相关参数进行了测试研究与分析,包括基于透射光谱法的薄膜光学常数测试研究、柔性薄膜折射率均匀性测试研究、薄膜表面粗糙度的测试分析。6.探索研究了图案转印法制备菲涅尔聚酰亚胺薄膜透镜,克服了柔性聚酰亚胺薄膜表面刻蚀工艺的难点,在聚酰亚胺薄膜表面获得了台阶结构清晰的菲涅尔图案,同时分析了聚酰亚胺薄膜弹性模量和氢键作用对表面菲涅尔结构轮廓精度的重要意义。7.为了获得更高光学均匀性的聚酰亚胺薄膜,在经典的二步法制备聚酰亚胺薄膜的工艺基础上,设计了近红外辐照均匀加热工艺和柔性拉伸高温处理工艺,有利于改善聚酰亚胺薄膜的光学性能、机械性能及热力学性能。本论文对空间光学聚酰亚胺薄膜的性能研究将不仅获得光学成像级聚酰亚胺薄膜分子设计与材料设计的大量知识,还将为空间超大口径薄膜光学系统的研制提供重要的材料储备。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V445.8;TQ323.7

【参考文献】