聚酰亚胺带电粒子辐致电导率与介电性能研究

摘要

本文以航天器介电材料充放电行为评价为研究背景,以空间应用聚酰亚胺及纳米SiO2改性聚酰亚胺材料为研究对象,利用辐致电导原位测试、宽频介电谱测量、光激电流测试等现代测试技术及分析方法,研究了在电子辐照条件下(<170keV)聚酰亚胺辐致电导动力学行为以及质子辐照损伤效应对材料辐致电导和介电行为的影响,揭示了空间用聚酰亚胺辐致电导及介电行为演化规律和机制。
　　研究结果表明,在不同能量和通量电子辐照条件下,聚酰亚胺辐致电导率动力学过程具有相似的特征,即由电子-空穴双极型传导控制电导动力学演化规律:辐致电导率随辐照时间以幂函数形式上升,然后到达稳态值,且辐致电导率稳态值是辐照电离剂量率的幂函数,辐致电导率上升过程的时间幂指数为材料中载流子陷阱浓度随能级分布的特征参数α,对于不同电子辐照条件下的聚酰亚胺辐致电导率上升过程,该幂指数均为0.26,表明电子辐照条件未改变聚酰亚胺中载流子陷阱分布。根据上述动力学特征分析,建立了描述聚酰亚胺辐致电导率随辐照电离剂量率的阶梯形式的动力学数学方程。研究发现,在短时循环电子辐照条件下,聚酰亚胺辐致电导率出现“过冲”现象,即循环辐照条件下,聚酰亚胺电导率可达到比连续辐照时更高的电导率值。基于电子辐照的电离效应特征揭示出在非连续辐照下,在材料中形成的自由基及其对载流子俘获、激发和复合过程的调制是产生这种“过冲”现象的主要原因。
　　质子辐照后聚酰亚胺辐致电导行为研究结果表明,经质子辐照后,材料的辐致电导率会随辐照质子注量的增加而下降,但其辐致电导率动力学模式未发生变化。基于质子辐照后聚酰亚胺辐致电导率动力学规律以及光激电流谱分析表明,质子辐照损伤导致聚酰亚胺辐致电导率下降的原因包括两个方面,其一为质子辐照位移效应导致材料中均四苯二酐基团降解,造成聚酰亚胺载流子激发能力降低;另一方面,质子辐照损伤效应导致聚酰亚胺材料内部浅能级载流子陷阱增多,引起载流子传输效率下降。根据聚酰亚胺质子辐照损伤过程的特点,建立了质子辐照后聚酰亚胺辐致电导率随位移损伤剂量的衰减规律。
　　对不同能量的质子辐照后聚酰亚胺介电性能的温谱/频谱演化行为研究表明,质子辐照导致聚酰亚胺结构损伤是引起聚酰亚胺介电行为变化的主要原因:质子辐照位移效应造成聚酰亚胺强偶极基团(如C=O和C-N等)的去除,降低了聚酰亚胺分子极化能力,使其介电常数下降;质子辐照在聚酰亚胺材料中形成非均匀损伤并产生异质界面,界面空间电荷极化可增强材料的极化能力,这与由于偶极基团衰减导致聚酰亚胺介电极化能力下降构成相互竞争机制。辐照损伤导致偶极基团的去除效应造成偶极弛豫减弱,从而引起高频(>104Hz)介电损耗系数下降;但是,由于质子辐照损伤引入大量的无定形相区域,使偶极转向的难度增加,造成能量损失增大,这两个因素同时影响高频损耗行为。辐照产生的界面空间电荷极化弛豫过程主要影响聚酰亚胺低频(<104Hz)损耗行为,引起聚酰亚胺低频介电损耗系数增加。
　　对纳米SiO2改性后聚酰亚胺辐致电导率研究表明,在低电离剂量率(<3.10×104rad/s)电子辐照条件下,SiO2改性聚酰亚胺辐致电导行为呈现单极型电子传导控制的动力学特征,而在高电离剂量率(4.77×104rad/s)下为电子-空穴双极型传导控制动力学特征。同时在相同电离剂量率下,SiO2改性聚酰亚胺稳态辐致电导率小于未改性材料的辐致电导率。分析结果表明,SiO2与聚酰亚胺界面处的镜像势阱加剧载流子复合是造成SiO2/PI辐致电导率下降的原因,同时SiO2与聚酰亚胺界面处的类界面态对空穴载流子的俘获效应是造成SiO2/PI辐致电导率动力学特征随辐照电离剂量率变化的主要原因。