聚酰亚胺薄膜多场耦合作用下电子辐照损伤行为研究

发布时间：2020-06-06 00:24

【摘要】：本文基于空间常用聚合物材料中应用广泛的聚酰亚胺薄膜为研究对象,以研究其电子辐照损伤行为作为基础,通过自主设计的实验装置,对其进行应力场作用下电子辐照、应力场与温度场作用下电子辐照后损伤行为的研究,揭示出多场耦合作用下电子辐照后薄膜表面损伤机理和结构演化规律,深入分析了聚酰亚胺薄膜的拉伸性能和应力松弛行为等宏观性能与微观结构之间的对应关系,并考察了TiO_2/聚酰亚胺中纳米TiO_2层对聚酰亚胺薄膜电子辐照行为的影响,为聚酰亚胺薄膜在复杂的综合环境下的电子辐照损伤预测提供理论和数据支撑。不同外场条件下电子辐照后,聚酰亚胺膜表面出现不同程度的损伤。经电子辐照作用后,聚酰亚胺膜表面形成不规则的缺陷;经辐照与应力场耦合作用后,聚酰亚胺膜的表面发现了微裂纹、气隙等损伤形貌;经辐照、应力场和温度场的多场耦合作用后,薄膜表面呈现直径为50-100 nm的高密度粒状凸起的损伤形貌。同时,辐照及辐照与应力场耦合作用后,聚酰亚胺膜表面疏水性、表面硬度及弹性模量下降;多场耦合作用后,聚酰亚胺膜表面疏水性增强,表面接触角从80°上升至96°,表面硬度及弹性模量分别升高了7.61%和2.41%。电子辐照会引起聚酰亚胺膜拉伸性能的下降,试样的拉伸强度和断裂伸长率较原始试样分别下降了7.30%和21.59%;辐照与应力场耦合作用后,薄膜发生加速损伤,拉伸强度和断裂伸长率较原始试样分别下降了9.90%和34.08%;多场耦合作用时,高温环境下的电子辐照作用引起材料拉伸强度出现上升趋势,其拉伸性能的下降程度低于辐照与应力场耦合作用后的试样,拉伸强度和断裂伸长率分别较原始试样下降了5.48%和31.10%。通过研究不同外场条件下电子辐照后聚酰亚胺膜在150°C下的蠕变及回复行为,结果表明,与原始试样相比,不同作用后薄膜的蠕变应变量均出现下降。在经历辐照及辐照与应力场耦合作用后,试样的普弹形变比例下降,高弹形变及粘流形变的比例增加,其中粘流形变的比例从15.05%分别增加至21.64%和17.59%;多场耦合作用后,粘流形变的比例下降至4.82%,同时,聚酰亚胺的本体粘度明显增加,高于辐照及辐照与应力场耦合作用后的试样,且随辐照注量增加表现出先升高后下降的演化过程。此外,多场耦合作用时,随辐照注量的增加,材料的玻璃化转变点发生从原始的405.4°C升高至412.5°C再下降至404.5°C的变化过程。经不同环境的辐照作用后,材料均可保持较好的热稳定性。上述性能演化规律为聚酰亚胺薄膜在多场环境中应用的可靠性及寿命提供了有力的数据支持。电子辐照会降低聚酰亚胺分子链结构的有序度,多场耦合作用导致材料内部分子链的聚集态结构遭到破坏,并发生从半结晶态向无定型态的转变。辐照作用下,聚酰亚胺的主链及侧基的化学键断裂,反应程度随辐照注量增加而逐渐加强;辐照与应力场的耦合作用会加速C=O和NH_2基的降解反应;多场耦合条件下温度升高促进材料内部交联,并发生苯环开环及表面氧化等复杂化学反应,薄膜中新生成了脂肪族C-C键和大量的C≡N键,表层的含氧基团为新生成的脂肪族醚CH_2-O键。基于上述研究,本文在聚酰亚胺表面制备高稳定性纳米TiO_2层,并分析沉积层对聚酰亚胺薄膜电子辐照行为的影响。TiO_2/聚酰亚胺在经历电子辐照后,TiO_2层的存在对基底聚酰亚胺起到防护作用,减少了辐照带来的表面缺陷及拉伸性能的劣化。与此同时,辐照后沉积层TiO_2发生了Ti-O-Ti和Ti-O-N键的损伤及N-O键的生成,而基底聚酰亚胺中羰基的损伤程度降低。辐照与应力场耦合作用下TiO_2遭到损伤,导致防护效果下降。
【图文】：

质子辐照,结构演化,聚酰亚胺,自由基

子辐照对材料的损伤行为。1.3.1.1 质子辐照在范艾伦辐射带内，包含了大量的质子和电子，其中粒子密度最大的区间集中在距地面 3700~18500 km 范围内。空间环境中质子最大能量可达到几百MeV，当与在空间服役的聚酰亚胺膜发生碰撞时，将对其产生损伤效应[29,47-51]。经过质子辐照后，聚酰亚胺膜内部分子链断裂，材料内部产生自由基[52]。从图 1-1 (a)中的电子顺磁共振（ERP）图谱可以看到，在辐照过程中仅产生一种类型的自由基，根据文献记载可以确认为热解碳自由基[53]。随着质子注量的增加，自由基的数量也逐渐增加。当辐照结束后试样放置在空气中时，，如图 1-1 (b)所示，自由基的浓度呈指数下降，其变化规律符合下式所示[54]：( )0tN N e =(1-1)式中 N —— 自由基总体数量；N0—— 初始自由基数量；—— 恢复速率系数；t —— 时间变量。

质子辐照,聚酰亚胺,介电性能,光学性能

RIC 是评价其在辐照环境下充电放电性能的一个重要参数[55]。图 1-2 (a)给出了不同注量质子辐照预处理后聚酰亚胺薄膜的辐射诱导电导率。从图中看出，经过质子预辐照处理后，材料的辐射诱导电导率较原始样品下降约三个数量级，并且随着质子注量增加而进一步降低。根据分析可知，预辐照处理过程中，质子（60~110 keV）使得聚酰亚胺薄膜内部产生原子位移损伤，从而导致分子链中的均苯四甲酸二胺分解，引起了辐射诱导电导率的下降。在质子辐照后，聚酰亚胺薄膜的光学性能显著下降[52]。如图 1-2 (b)所示，辐照后样品的光透过率均低于原始聚酰亚胺，且随着辐照注量增加而进一步降低。在其他辐照条件下也发现了同样光学性能下降的现象[56,57]。根据研究可知，光学性能的变化由两部分构成。一方面由于试样内部在辐照后出现了分子链断裂并随后出现碳化，这部分造成的损伤是永久性的，在辐照结束后无法恢复[58-60]。另一方面，在辐照过程中材料内部产生自由基，在辐照结束后自由基的重新结合，其数量随结束时长呈指数下降，此时聚酰亚胺的光学性能出现了部分恢复[52]。因此推测，在辐照前后由于聚酰亚胺薄膜内自由基变化造成的光学性能变化是可以恢复的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.7;V25

【参考文献】