质子辐照TiO2/PI自由基演化及其光学性能退化研究

摘要

本文以聚酰亚胺(PI)和TiO2/PI为研究对象,利用电子顺磁共振以及可见/紫外光谱分析等现代分析技术,研究了100keV质子在不同通量条件下辐照聚酰亚胺自由基及光学性能演化规律,建立了空间环境下质子辐照通量对聚酰亚胺光学性能退化影响规律模型。文中还详细研究和分析了在质子辐照条件下,表面沉积TiO2薄膜对聚酰亚胺辐照自由基损伤及光学性能退化的影响规律与机理。
　　研究表明,在100keV质子辐照后聚酰亚胺内部生成了热解碳自由基,且自由基种类不随质子通量而变化。辐照后的样品在空气中放置过程中,其内部自由基含量遵循指数和线性之和模式降低,其中指数部分源于自由基的复合效应(其时间常数为0.77h),而线性部分代表自由基表面中和效应。利用地面大气条件下自由基演化规律的外推,获得了在不同质子通量下材料在真空中自由基含量随质子通量的变化,并发现这种变化可等效为自由基在真空中随辐照时间的指数演化模式,其中表征自由基演化过程的特征时间常数τradical-vacuum为1.88h,大于空气条件下自由基演化的特征时间常数τradical-air,文中深入分析了这种差异的机制。
　　基于聚酰亚胺辐照自由基损伤机理,对不同通量质子辐照后的聚酰亚胺的吸光度演化过程的研究表明,无论是真空还是空气中保存,样品吸光度随时间的演化与自由基的演化规律类似,而且相应的特征时间常数相同(τoptical-air为0.77h;τoptical-vacuum为1.90h)。在此基础上,建立了聚酰亚胺辐照后光学吸光度在真空和空气中演化的模型,该模型可成为在轨条件下光学性能损伤等效评价的基础之一。
　　聚酰亚胺经表面纳米TiO2改性并在质子辐照后,TiO2/PI样品中形成的自由基种类仍为热解碳自由基,表明表面沉积氧化层没有改变PI材料内部辐照诱发自由基的种类,但是自由基会分布于PI体相及TiO2/PI界面。TiO2/PI样品中辐照诱发自由基总含量以及光学损伤都随着质子辐照注量的增加而呈线性增加,纳米TiO2薄膜厚度对自由基含量及光学性能退化的影响并不明显。由于自由基的分布特点,TiO2/PI辐照诱发自由基在时效过程中,界面及基体中的自由基浓度随时效时间都遵循指数规律下降,但两者的特征时间常数不同,因此自由基含量-时间的演化遵循两个指数之和模式。相应地,其辐照导致光学损伤的时效恢复过程也遵循两个指数之和模式。特别需要指出的是,TiO2/PI样品中聚酰亚胺体相辐照自由基复合时间常数与上述真空中自由基演化模型的相等,表明可以通过表面致密TiO2膜对空气作用的屏蔽直接获得真空条件下自由基复合动力学参数。

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第1章绪 论

1.1课题背景

1.2空间辐照环境及其辐照效应

1.3带电粒子辐照聚合物材料损伤的研究

1.4带电粒子诱发自由基

1.5带电粒子辐照聚酰亚胺损伤行为的研究

1.6本文研究内容

第2章试验材料与方法

2.1试验材料

2.2试验方法

2.3分析测试方法

第3章质子通量对PI辐照自由基行为及性能影响

3.1 PI中辐照自由基随通量演化规律

3.2质子通量对PI光学性能的影响

3.3 PI辐照损伤随质子通量演化的等效模型

3.4本章小结

第4章质子辐照TiO2/PI损伤行为与机理

4.1质子辐照TiO2/PI自由基演化规律

4.2质子辐照对TiO2/PI光学性能影响

4.3 TiO2/PI吸光度恢复与自由基演化关系分析

4.4 TiO2/PI质子辐照损伤机理

4.5本章小结

结论

参考文献

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致谢