质子辐照下SiO2薄膜改性Kapton光学性能演化及其损伤机理

摘要

本文以聚酰亚胺（Kapton）为参考，对比研究了在100keV质子辐照注量下，SiO2薄膜改性聚酰亚胺（SiO2/Kapton）的光学性能损伤及其回复规律，并通过电子顺磁共振（EPR）分析了顺磁缺陷的演化规律，揭示了可回复的光学性能损伤与自由基的内在关系。同时通过原子力显微镜、红外光谱（FTIR）和X光电子谱(XPS)分析，研究了质子辐照下SiO2/Kapton材料的永久损伤机理。
　　研究表明，质子辐照下，与Kapton相类似，SiO2/Kapton材料在400-800nm波段范围内的光学透过率随辐照注量增加明显下降，性能下降的峰值在520nm附近；但在相同辐照注量下，尤其是在辐照注量较低时，SiO2/Kapton材料光学透过率下降幅度更大。两种材料在辐照完成后室温放置过程中，光学透过率会产生一定程度的回复，表明两种材料的光学性能损伤由可回复和永久损伤两部分组成。通过对辐照后室温放置过程中材料光学性能的连续测量分析，确定质子辐照Kapton的光学性能损伤的回复符合指数规律，即：ΔT=A1 exp(-t/τo)+ΔT0，其中时间常数τo≈2.20h，不随辐照注量变化；而 SiO2/Kapton材料的光学性能损伤回复规律为：ΔT=A1 exp(-t/τo1)+A2 exp(-t/τo2)+ΔT0，其中时间常数τo1≈2.30h，τo2≈0.30h，二者均与辐照注量无关。其中τo1与Kapton基体中的辐照损伤回复有关，而τo2和SiO2薄膜与Kapton基体的界面损伤的回复过程相关。
　　对辐照样品EPR谱分析表明：质子辐照会在Kapton和SiO2/Kapton中产生大量自由基。在辐照完成后的放置过程中，辐照样品的自由基浓度随放置时间呈现与光学透过率回复类似的规律，且相应的时间常数相同，表明可回复光学性能损伤与材料中的辐照自由基密切相关。这一结果也说明，SiO2/Kapton中SiO2与基体 Kapton的界面损伤是导致改性聚酰亚胺具有较大光学性能损伤的重要原因之一。
　　通过对样品辐照后的形貌和结构分析表明，质子辐照导致Kapton材料的永久损伤主要源自聚酰亚胺分子链中氨基、羰基和醚基损伤断裂，辐照区碳化显著，在此过程中Kapton内析出小分子，表面粗化并有微孔生成。但是对SiO2/Kapton材料，基体 Kapton的损伤过程与上述未改性材料的相同，但没有表面没有微孔生成。更重要的是，SiO2/Kapton材料辐照后在改性能与基体界面上的氮含量增加，并在界面上生成了 Si-N中间层。这主要是由于Kapton辐照损伤析出的氨基小分子在界面上，通过活性自由基诱导生成。