氮离子辐照对PI和TiO2/PI材料性能与结构的影响

摘要

本文以PI及TiO2/PI材料作为研究对象，利用紫外/可见分光光度计、四探针电阻测量仪来分析氮离子辐照前后的材料性能，利用电子顺磁共振、扫描电镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等表征氮离子辐照前后材料结构演化与损伤缺陷，在此基础上揭示氮离子辐照聚酰亚胺(PI)和TiO2/PI材料性能影响规律，阐明其辐照损伤和性能演化机理。
　　研究结果表明，氮离子辐照聚酰亚胺引起材料光学性能和电学性能的显著变化，辐照后，聚酰亚胺的颜色逐渐加深，透过率随着注量的增加而降低；但是当氮离子注量达到5E15cm-2以上时，材料几乎不透光，表面变黑并且表现出金属光泽，反射率升高。同时，电阻率随着辐照注量的升高而降低，当氮离子注量达到5E15cm-2以上时，表面电阻显著降低至103Ω·cm量级，表明材料表面已经“金属化”。相对于100keV氮离子，150keV氮离子辐照这种演化倾向更为明显。对聚酰亚胺的EPR谱和结构表征分析表明，氮离子辐照将快速引起聚酰亚胺中羰基和氨基的降解，材料中氮的含量并没有因为氮离子的注入而增加，反而会快速降低至约2at.％后基本保持不变，同时材料出现明显的石墨化倾向。EPR结果表明，在聚酰亚胺中氮离子辐照自由基会随着辐照注量的增加而显著增加，但是当氮离子注量达到5E15cm-2以上时，自由基的EPR微分谱峰宽显著下降，表示材料整体的电子状态发生了明显变化。上述结果的综合分析表明，当辐照位移吸收剂量（与能量无关）约为3E10rad以上时，材料发生了明显的绝缘体—金属（半导体）转变。论文基于上述结果，提出了聚酰亚胺的氮离子辐照石墨化演化机理。
　　针对表面沉积纳米TiO2防护层的聚酰亚胺材料，氮离子辐照对聚酰亚胺的损伤行为（如辐照石墨化过程、自由基演化规律）与上述没有防护的材料基本相同，以致光学性能演化、电性能退化规律类似。但是，与裸聚酰亚胺材料相比，表面纳米TiO2的存在使得在相同辐照条件下材料表面电阻更大，表面化学状态因Ti、O元素的存在而发生明显变化；同时，氮离子辐照会造成TiO2的显著溅射效应，氮离子注量达到1E16cm-2时，表面层中的Ti含量从镀钛的7%降低至0.3%。该论文的研究表明，氮离子辐照将显著改变聚酰亚胺材料的性能，为聚酰亚胺材料的改性和表面功能化提供了新的途径。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 离子注入方法

1.3 离子注入对聚合物的影响

1.4 离子注入对聚酰亚胺的影响

1.5 本文研究目的和主要内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验辐照方案

2.3 分析测试方法

第3章 氮离子辐照对聚酰亚胺材料性能及结构影响

3.1 氮离子辐照聚酰亚胺材料的SRIM模拟以及截面分析

3.2 氮离子辐照聚酰亚胺的性能变化

3.3 氮离子辐照聚酰亚胺材料的自由基演化机理分析

3.4 氮离子辐照聚酰亚胺材料的微观结构分析

3.5 氮离子辐照聚酰亚胺材料的AFM分析

3.6 氮离子辐照聚酰亚胺材料结构演化综合分析

3.7 本章小结

第4章 氮离子辐照对TiO2/PI材料性能与结构的影响

4.1 氮离子辐照TiO2/PI材料的SRIM模拟以及截面分析

4.2 氮离子辐照TiO2/PI材料的性能变化

4.3 氮离子辐照TiO2/PI材料的自由基演化机理分析

4.4 氮离子辐照TiO2/PI材料的微观结构分析

4.5 氮离子辐照TiO2/PI材料的AFM分析

4.6 纳米TiO2薄膜对氮离子辐照PI材料的性能结构影响分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢