本文關鍵詞：應用于空間光學的聚合物薄膜性能研究　出處：《中國科學院研究生院(光電技術研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：為了解決未來航天技術對超大口徑空間光學望遠鏡的需求,輕量化薄膜衍射光學技術將應用于空間光學成像系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的無機光學材料因其笨重易碎的特性,難以實現(xiàn)大口徑薄膜衍射光學元件的制備。未來輕量化光學薄膜材料將以有機聚合物為主,但作為光學精密元件需長期暴露在空間環(huán)境下,除了能長期適應惡劣的空間環(huán)境外,還要滿足光學應用需求。一般地,聚合物薄膜在空間環(huán)境下易發(fā)生降解,很難長期適應空間環(huán)境,光學性能、機械性能等也會逐漸退化。由此可見,薄膜材料是空間衍射光學系統(tǒng)關鍵技術之一,亟需解決。能完全滿足上述要求的光學薄膜材料是難找的,只能通過對主要性能的比較分析,并對部分尚不滿足性能采取改善或改性措施。本文圍繞優(yōu)選出的聚酰亞胺薄膜材料展開研究,在其優(yōu)異的綜合性能及潛在的改性空間的基礎上,研究在空間環(huán)境下滿足光學應用需求的聚酰亞胺薄膜,研究的最終目的是獲得空間光學聚酰亞胺薄膜的分子設計知識,并在相關性能研究的基礎上,制備出滿足空間光學成像要求的聚酰亞胺薄膜。論文的主要研究工作包括以下幾個部分:1.優(yōu)選出聚酰亞胺并分析了光學性能及熱力學性能參數(shù)要求。在對比了多種可能應用于空間光學系統(tǒng)的有機光學薄膜材料的基礎上,優(yōu)選聚酰亞胺為空間光學薄膜材料的改性對象,并分析了空間光學聚酰亞胺薄膜受真空環(huán)境、熱循環(huán)環(huán)境、原子氧等空間因素的影響,研究得出光學聚酰亞胺薄膜光學均勻性要求以瑞利判據(jù)為主,需滿足四分之一波長原則;另外,理論上熱膨脹系數(shù)指標應接近零,但可通過光學離焦補償來降低對薄膜材料熱膨脹系數(shù)指標要求。2.通過分子設計合成了一系列聚酰亞胺薄膜并對其性能進行了表征與研究。結合空間光學聚酰亞胺薄膜的性能參數(shù)分析,通過分子設計理論,合成了剛性與柔性、含氟與不含氟、含氫鍵作用與無氫鍵作用的一系列光學聚酰亞胺薄膜,主要包括PAAF、PAI、PAAA三種架構的聚酰亞胺薄膜,采用激光干涉儀、應力雙折射儀、分光光度計、紅外光譜儀(FTIR)、熱失重分析儀(TGA)、熱機械分析儀(TMA)、動態(tài)機械性能分析儀(DMA)、凝膠滲透色譜儀(GPC)、電子萬能試驗機等對其性能進行了表征及對比分析。從結構與性能關系上得出了含氟與氫鍵作用的光學聚酰亞胺薄膜分子設計結論,討論了剛性結構、含氟基團、氫鍵作用對光學聚酰亞胺薄膜性能的影響機理。3.通過三甲基氯硅烷活化機理合成了TMAC+TFBZ型聚酰亞胺,運用FTIR、DMA、TMA等測試方法對其進行了表征,獲得了一種可溶的、低熱膨脹系數(shù)(11.4ppm/℃)、高模量(4.0GPa)、無色透明(優(yōu)于90%)的高性能聚酰亞胺薄膜,討論了氫鍵作用的重要影響,分析了合成路線中的活化機理。4.在機械性能及熱力學性能方面,通過引入強氫鍵相互作用,制備獲得了高強高模(強度為295MPa,模量為10.6GPa)的聚酰亞胺薄膜材料,并且通過共聚方法可調節(jié)聚酰亞胺薄膜熱膨脹系數(shù)接近于零,非常有利于滿足空間熱交變環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性。5.對柔性光學聚酰亞胺薄膜作為光學媒介的相關參數(shù)進行了測試研究與分析,包括基于透射光譜法的薄膜光學常數(shù)測試研究、柔性薄膜折射率均勻性測試研究、薄膜表面粗糙度的測試分析。6.探索研究了圖案轉印法制備菲涅爾聚酰亞胺薄膜透鏡,克服了柔性聚酰亞胺薄膜表面刻蝕工藝的難點,在聚酰亞胺薄膜表面獲得了臺階結構清晰的菲涅爾圖案,同時分析了聚酰亞胺薄膜彈性模量和氫鍵作用對表面菲涅爾結構輪廓精度的重要意義。7.為了獲得更高光學均勻性的聚酰亞胺薄膜,在經典的二步法制備聚酰亞胺薄膜的工藝基礎上,設計了近紅外輻照均勻加熱工藝和柔性拉伸高溫處理工藝,有利于改善聚酰亞胺薄膜的光學性能、機械性能及熱力學性能。本論文對空間光學聚酰亞胺薄膜的性能研究將不僅獲得光學成像級聚酰亞胺薄膜分子設計與材料設計的大量知識,還將為空間超大口徑薄膜光學系統(tǒng)的研制提供重要的材料儲備。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(光電技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V445.8;TQ323.7

【參考文獻】

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本文編號：1334078