【摘要】：本文基于空間常用聚合物材料中應用廣泛的聚酰亞胺薄膜為研究對象,以研究其電子輻照損傷行為作為基礎,通過自主設計的實驗裝置,對其進行應力場作用下電子輻照、應力場與溫度場作用下電子輻照后損傷行為的研究,揭示出多場耦合作用下電子輻照后薄膜表面損傷機理和結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,深入分析了聚酰亞胺薄膜的拉伸性能和應力松弛行為等宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的對應關(guān)系,并考察了TiO_2/聚酰亞胺中納米TiO_2層對聚酰亞胺薄膜電子輻照行為的影響,為聚酰亞胺薄膜在復雜的綜合環(huán)境下的電子輻照損傷預測提供理論和數(shù)據(jù)支撐。不同外場條件下電子輻照后,聚酰亞胺膜表面出現(xiàn)不同程度的損傷。經(jīng)電子輻照作用后,聚酰亞胺膜表面形成不規(guī)則的缺陷;經(jīng)輻照與應力場耦合作用后,聚酰亞胺膜的表面發(fā)現(xiàn)了微裂紋、氣隙等損傷形貌;經(jīng)輻照、應力場和溫度場的多場耦合作用后,薄膜表面呈現(xiàn)直徑為50-100 nm的高密度粒狀凸起的損傷形貌。同時,輻照及輻照與應力場耦合作用后,聚酰亞胺膜表面疏水性、表面硬度及彈性模量下降;多場耦合作用后,聚酰亞胺膜表面疏水性增強,表面接觸角從80°上升至96°,表面硬度及彈性模量分別升高了7.61%和2.41%。電子輻照會引起聚酰亞胺膜拉伸性能的下降,試樣的拉伸強度和斷裂伸長率較原始試樣分別下降了7.30%和21.59%;輻照與應力場耦合作用后,薄膜發(fā)生加速損傷,拉伸強度和斷裂伸長率較原始試樣分別下降了9.90%和34.08%;多場耦合作用時,高溫環(huán)境下的電子輻照作用引起材料拉伸強度出現(xiàn)上升趨勢,其拉伸性能的下降程度低于輻照與應力場耦合作用后的試樣,拉伸強度和斷裂伸長率分別較原始試樣下降了5.48%和31.10%。通過研究不同外場條件下電子輻照后聚酰亞胺膜在150°C下的蠕變及回復行為,結(jié)果表明,與原始試樣相比,不同作用后薄膜的蠕變應變量均出現(xiàn)下降。在經(jīng)歷輻照及輻照與應力場耦合作用后,試樣的普彈形變比例下降,高彈形變及粘流形變的比例增加,其中粘流形變的比例從15.05%分別增加至21.64%和17.59%;多場耦合作用后,粘流形變的比例下降至4.82%,同時,聚酰亞胺的本體粘度明顯增加,高于輻照及輻照與應力場耦合作用后的試樣,且隨輻照注量增加表現(xiàn)出先升高后下降的演化過程。此外,多場耦合作用時,隨輻照注量的增加,材料的玻璃化轉(zhuǎn)變點發(fā)生從原始的405.4°C升高至412.5°C再下降至404.5°C的變化過程。經(jīng)不同環(huán)境的輻照作用后,材料均可保持較好的熱穩(wěn)定性。上述性能演化規(guī)律為聚酰亞胺薄膜在多場環(huán)境中應用的可靠性及壽命提供了有力的數(shù)據(jù)支持。電子輻照會降低聚酰亞胺分子鏈結(jié)構(gòu)的有序度,多場耦合作用導致材料內(nèi)部分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞,并發(fā)生從半結(jié)晶態(tài)向無定型態(tài)的轉(zhuǎn)變。輻照作用下,聚酰亞胺的主鏈及側(cè)基的化學鍵斷裂,反應程度隨輻照注量增加而逐漸加強;輻照與應力場的耦合作用會加速C=O和NH_2基的降解反應;多場耦合條件下溫度升高促進材料內(nèi)部交聯(lián),并發(fā)生苯環(huán)開環(huán)及表面氧化等復雜化學反應,薄膜中新生成了脂肪族C-C鍵和大量的C≡N鍵,表層的含氧基團為新生成的脂肪族醚CH_2-O鍵�；谏鲜鲅芯�,本文在聚酰亞胺表面制備高穩(wěn)定性納米TiO_2層,并分析沉積層對聚酰亞胺薄膜電子輻照行為的影響。TiO_2/聚酰亞胺在經(jīng)歷電子輻照后,TiO_2層的存在對基底聚酰亞胺起到防護作用,減少了輻照帶來的表面缺陷及拉伸性能的劣化。與此同時,輻照后沉積層TiO_2發(fā)生了Ti-O-Ti和Ti-O-N鍵的損傷及N-O鍵的生成,而基底聚酰亞胺中羰基的損傷程度降低。輻照與應力場耦合作用下TiO_2遭到損傷,導致防護效果下降。
【圖文】：

子輻照對材料的損傷行為。1.3.1.1 質(zhì)子輻照在范艾倫輻射帶內(nèi)，包含了大量的質(zhì)子和電子，其中粒子密度最大的區(qū)間集中在距地面 3700~18500 km 范圍內(nèi)。空間環(huán)境中質(zhì)子最大能量可達到幾百MeV，當與在空間服役的聚酰亞胺膜發(fā)生碰撞時，將對其產(chǎn)生損傷效應[29,47-51]。經(jīng)過質(zhì)子輻照后，聚酰亞胺膜內(nèi)部分子鏈斷裂，材料內(nèi)部產(chǎn)生自由基[52]。從圖 1-1 (a)中的電子順磁共振（ERP）圖譜可以看到，在輻照過程中僅產(chǎn)生一種類型的自由基，根據(jù)文獻記載可以確認為熱解碳自由基[53]。隨著質(zhì)子注量的增加，自由基的數(shù)量也逐漸增加。當輻照結(jié)束后試樣放置在空氣中時，，如圖 1-1 (b)所示，自由基的濃度呈指數(shù)下降，其變化規(guī)律符合下式所示[54]：( )0tN N e =(1-1)式中 N —— 自由基總體數(shù)量；N0—— 初始自由基數(shù)量；—— 恢復速率系數(shù)；t —— 時間變量。

RIC 是評價其在輻照環(huán)境下充電放電性能的一個重要參數(shù)[55]。圖 1-2 (a)給出了不同注量質(zhì)子輻照預處理后聚酰亞胺薄膜的輻射誘導電導率。從圖中看出，經(jīng)過質(zhì)子預輻照處理后，材料的輻射誘導電導率較原始樣品下降約三個數(shù)量級，并且隨著質(zhì)子注量增加而進一步降低。根據(jù)分析可知，預輻照處理過程中，質(zhì)子（60~110 keV）使得聚酰亞胺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生原子位移損傷，從而導致分子鏈中的均苯四甲酸二胺分解，引起了輻射誘導電導率的下降。在質(zhì)子輻照后，聚酰亞胺薄膜的光學性能顯著下降[52]。如圖 1-2 (b)所示，輻照后樣品的光透過率均低于原始聚酰亞胺，且隨著輻照注量增加而進一步降低。在其他輻照條件下也發(fā)現(xiàn)了同樣光學性能下降的現(xiàn)象[56,57]。根據(jù)研究可知，光學性能的變化由兩部分構(gòu)成。一方面由于試樣內(nèi)部在輻照后出現(xiàn)了分子鏈斷裂并隨后出現(xiàn)碳化，這部分造成的損傷是永久性的，在輻照結(jié)束后無法恢復[58-60]。另一方面，在輻照過程中材料內(nèi)部產(chǎn)生自由基，在輻照結(jié)束后自由基的重新結(jié)合，其數(shù)量隨結(jié)束時長呈指數(shù)下降，此時聚酰亞胺的光學性能出現(xiàn)了部分恢復[52]。因此推測，在輻照前后由于聚酰亞胺薄膜內(nèi)自由基變化造成的光學性能變化是可以恢復的。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ323.7;V25

【參考文獻】

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1 代棟梁;UHMWPE纖維的輻照交聯(lián)改性及抗蠕變性能研究[D];東華大學;2017年

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本文編號：2698838