本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于空間光學(xué)的聚合物薄膜性能研究　出處：《中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：為了解決未來航天技術(shù)對超大口徑空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的需求,輕量化薄膜衍射光學(xué)技術(shù)將應(yīng)用于空間光學(xué)成像系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的無機(jī)光學(xué)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(xué)元件的制備。未來輕量化光學(xué)薄膜材料將以有機(jī)聚合物為主,但作為光學(xué)精密元件需長期暴露在空間環(huán)境下,除了能長期適應(yīng)惡劣的空間環(huán)境外,還要滿足光學(xué)應(yīng)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(yīng)空間環(huán)境,光學(xué)性能、機(jī)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(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一,亟需解決。能完全滿足上述要求的光學(xué)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(chǔ)上,研究在空間環(huán)境下滿足光學(xué)應(yīng)用需求的聚酰亞胺薄膜,研究的最終目的是獲得空間光學(xué)聚酰亞胺薄膜的分子設(shè)計知識,并在相關(guān)性能研究的基礎(chǔ)上,制備出滿足空間光學(xué)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(xué)性能及熱力學(xué)性能參數(shù)要求。在對比了多種可能應(yīng)用于空間光學(xué)系統(tǒng)的有機(jī)光學(xué)薄膜材料的基礎(chǔ)上,優(yōu)選聚酰亞胺為空間光學(xué)薄膜材料的改性對象,并分析了空間光學(xué)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(xué)聚酰亞胺薄膜光學(xué)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(biāo)應(yīng)接近零,但可通過光學(xué)離焦補(bǔ)償來降低對薄膜材料熱膨脹系數(shù)指標(biāo)要求。2.通過分子設(shè)計合成了一系列聚酰亞胺薄膜并對其性能進(jìn)行了表征與研究。結(jié)合空間光學(xué)聚酰亞胺薄膜的性能參數(shù)分析,通過分子設(shè)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(xué)聚酰亞胺薄膜,主要包括PAAF、PAI、PAAA三種架構(gòu)的聚酰亞胺薄膜,采用激光干涉儀、應(yīng)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(jī)械分析儀(TMA)、動態(tài)機(jī)械性能分析儀(DMA)、凝膠滲透色譜儀(GPC)、電子萬能試驗機(jī)等對其性能進(jìn)行了表征及對比分析。從結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系上得出了含氟與氫鍵作用的光學(xué)聚酰亞胺薄膜分子設(shè)計結(jié)論,討論了剛性結(jié)構(gòu)、含氟基團(tuán)、氫鍵作用對光學(xué)聚酰亞胺薄膜性能的影響機(jī)理。3.通過三甲基氯硅烷活化機(jī)理合成了TMAC+TFBZ型聚酰亞胺,運用FTIR、DMA、TMA等測試方法對其進(jìn)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(jī)理。4.在機(jī)械性能及熱力學(xué)性能方面,通過引入強(qiáng)氫鍵相互作用,制備獲得了高強(qiáng)高模(強(qiáng)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(diào)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(xué)聚酰亞胺薄膜作為光學(xué)媒介的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試研究與分析,包括基于透射光譜法的薄膜光學(xué)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)輪廓精度的重要意義。7.為了獲得更高光學(xué)均勻性的聚酰亞胺薄膜,在經(jīng)典的二步法制備聚酰亞胺薄膜的工藝基礎(chǔ)上,設(shè)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(xué)性能、機(jī)械性能及熱力學(xué)性能。本論文對空間光學(xué)聚酰亞胺薄膜的性能研究將不僅獲得光學(xué)成像級聚酰亞胺薄膜分子設(shè)計與材料設(shè)計的大量知識,還將為空間超大口徑薄膜光學(xué)系統(tǒng)的研制提供重要的材料儲備。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V445.8;TQ323.7

【參考文獻(xiàn)】

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