聚酰亞胺帶電粒子輻致電導(dǎo)率與介電性能研究.pdf

1、本文以航天器介電材料充放電行為評(píng)價(jià)為研究背景,以空間應(yīng)用聚酰亞胺及納米SiO2改性聚酰亞胺材料為研究對(duì)象,利用輻致電導(dǎo)原位測(cè)試、寬頻介電譜測(cè)量、光激電流測(cè)試等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)及分析方法,研究了在電子輻照條件下(<170keV)聚酰亞胺輻致電導(dǎo)動(dòng)力學(xué)行為以及質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)對(duì)材料輻致電導(dǎo)和介電行為的影響,揭示了空間用聚酰亞胺輻致電導(dǎo)及介電行為演化規(guī)律和機(jī)制。
　　研究結(jié)果表明,在不同能量和通量電子輻照條件下,聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率動(dòng)力學(xué)過程

2、具有相似的特征,即由電子-空穴雙極型傳導(dǎo)控制電導(dǎo)動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律:輻致電導(dǎo)率隨輻照時(shí)間以冪函數(shù)形式上升,然后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值,且輻致電導(dǎo)率穩(wěn)態(tài)值是輻照電離劑量率的冪函數(shù),輻致電導(dǎo)率上升過程的時(shí)間冪指數(shù)為材料中載流子陷阱濃度隨能級(jí)分布的特征參數(shù)α,對(duì)于不同電子輻照條件下的聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率上升過程,該冪指數(shù)均為0.26,表明電子輻照條件未改變聚酰亞胺中載流子陷阱分布。根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)特征分析,建立了描述聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率隨輻照電離劑量率的階梯形式的

3、動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)方程。研究發(fā)現(xiàn),在短時(shí)循環(huán)電子輻照條件下,聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率出現(xiàn)“過沖”現(xiàn)象,即循環(huán)輻照條件下,聚酰亞胺電導(dǎo)率可達(dá)到比連續(xù)輻照時(shí)更高的電導(dǎo)率值?；陔娮虞椪盏碾婋x效應(yīng)特征揭示出在非連續(xù)輻照下,在材料中形成的自由基及其對(duì)載流子俘獲、激發(fā)和復(fù)合過程的調(diào)制是產(chǎn)生這種“過沖”現(xiàn)象的主要原因。
　　質(zhì)子輻照后聚酰亞胺輻致電導(dǎo)行為研究結(jié)果表明,經(jīng)質(zhì)子輻照后,材料的輻致電導(dǎo)率會(huì)隨輻照質(zhì)子注量的增加而下降,但其輻致電導(dǎo)率動(dòng)力學(xué)模式未發(fā)生

4、變化?；谫|(zhì)子輻照后聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及光激電流譜分析表明,質(zhì)子輻照損傷導(dǎo)致聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率下降的原因包括兩個(gè)方面,其一為質(zhì)子輻照位移效應(yīng)導(dǎo)致材料中均四苯二酐基團(tuán)降解,造成聚酰亞胺載流子激發(fā)能力降低;另一方面,質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)導(dǎo)致聚酰亞胺材料內(nèi)部淺能級(jí)載流子陷阱增多,引起載流子傳輸效率下降。根據(jù)聚酰亞胺質(zhì)子輻照損傷過程的特點(diǎn),建立了質(zhì)子輻照后聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率隨位移損傷劑量的衰減規(guī)律。
　　對(duì)不同能量的質(zhì)子輻照后聚酰

5、亞胺介電性能的溫譜/頻譜演化行為研究表明,質(zhì)子輻照導(dǎo)致聚酰亞胺結(jié)構(gòu)損傷是引起聚酰亞胺介電行為變化的主要原因:質(zhì)子輻照位移效應(yīng)造成聚酰亞胺強(qiáng)偶極基團(tuán)(如C=O和C-N等)的去除,降低了聚酰亞胺分子極化能力,使其介電常數(shù)下降;質(zhì)子輻照在聚酰亞胺材料中形成非均勻損傷并產(chǎn)生異質(zhì)界面,界面空間電荷極化可增強(qiáng)材料的極化能力,這與由于偶極基團(tuán)衰減導(dǎo)致聚酰亞胺介電極化能力下降構(gòu)成相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。輻照損傷導(dǎo)致偶極基團(tuán)的去除效應(yīng)造成偶極弛豫減弱,從而引起高頻

6、(>104Hz)介電損耗系數(shù)下降;但是,由于質(zhì)子輻照損傷引入大量的無定形相區(qū)域,使偶極轉(zhuǎn)向的難度增加,造成能量損失增大,這兩個(gè)因素同時(shí)影響高頻損耗行為。輻照產(chǎn)生的界面空間電荷極化弛豫過程主要影響聚酰亞胺低頻(<104Hz)損耗行為,引起聚酰亞胺低頻介電損耗系數(shù)增加。
　　對(duì)納米SiO2改性后聚酰亞胺輻致電導(dǎo)率研究表明,在低電離劑量率(<3.10×104rad/s)電子輻照條件下,SiO2改性聚酰亞胺輻致電導(dǎo)行為呈現(xiàn)單極型電子傳導(dǎo)控