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KAPTON薄膜电子辐照损伤效应

作　者: 许保祥
导　师: 何世禹；李春东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: Kapton薄膜电子辐照光学性能损伤效应
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

聚合物Kapton薄膜作为一类重要的热控涂层材料,在航天器上具有广泛的应用。空间环境作用下Kapton薄膜性能好坏与否,直接影响航天器的可靠性与寿命。深入研究Kapton薄膜在空间电子辐照环境下损伤效应,具有重要的工程背景与理论研究价值。本文研究了能量为70、90、110和150 keV,辐照剂量分别是1×10¹⁵、2×10¹⁵、5×10¹⁵、1×10¹⁶和2×10¹⁶cm^-2的电子辐照对Kapton薄膜的辐照损伤效应。采用КИФК空间综合辐照环境效应模拟器对Kapton薄膜进行电子辐照,研究辐照前后材料性能的演化规律。采用紫外可见光谱法、XPS、AFM及FTIR等分析方法对辐照前、后Kapton薄膜的性能及化学结构变化进行了研究。研究发现,电子辐照后Kapton薄膜的光谱透过系数变化主要发生在500¹200nm的波长区间。随着电子辐照剂量的增加,Kapton薄膜的光谱透过系数在420⁵40nm的波长区间出现明显的吸收峰,并且随着辐照剂量增大峰高增加。不同能量电子辐照后,在相同辐照剂量条件下,该吸收峰随着辐照能量增大峰高增强。这可能是由于电子辐照导致Kapton薄膜中的键断裂或者重组,而形成自由基或者正负离子等活性基团。并且随着辐照能量和辐照剂量的增大,这些活性基团的种类和数量增加,从而造成Kapton薄膜光学透过率降低。微观机理分析表明,随着辐照能量或剂量的增大,Kapton薄膜表面碳富集的趋势加剧。碳富集导致Kapton薄膜表面硬度增加、脆性增大,并使其光学透过率降低。XPS分析表明,低能电子辐照主要导致Kapton薄膜分子结构中C-N和C-O键的断裂,以及C=O键的断裂和重组,并且有部分键断裂后交联。随着辐照剂量及辐照能量的增加,材料中的C-N、C=O键含量减少。尽管电子辐照可以使C-N键和C-O键断裂,以及C=O键断裂和重组,但是并不能完全使上述三种键消失。AFM分析表明,随着辐照剂量增大Kapton薄膜表面粗糙度增大。XRD分析发现,电子辐照后Kapton薄膜的结晶度降低。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-33
  1.1 选题背景  10
  1.2 热控涂层的热控原理  10-13
    1.2.1 太阳吸收比和半球发射率  11
    1.2.2 航天器的热平衡  11-13
  1.3 空间环境及其对热控涂层的影响  13-23
    1.3.1 空间真空  13-14
    1.3.2 冷黑环境  14
    1.3.3 太阳电磁辐射  14-15
    1.3.4 空间带电粒子辐射  15-18
    1.3.5 原子氧  18-20
    1.3.6 等离子体  20-21
    1.3.7 污染  21-23
  1.4 空间辐照的地面模拟  23-24
  1.5 带电粒子与物质的相互作用  24-28
    1.5.1 几个常用概念的定义  25-26
    1.5.2 粒子辐照对材料的损伤  26-27
    1.5.3 带电粒子对材料组织结构的影响  27-28
    1.5.4 带电粒子对材料性能的影响  28
  1.6 带电粒子对聚合物薄膜材料性能与结构的影响  28-29
    1.6.1 带电粒子的加热与充电效应  28-29
    1.6.2 带电粒子辐照对聚合物物理与力学性能的影响  29
    1.6.3 带电粒子辐照对聚合物化学结构的影响  29
  1.7 酰亚胺材料的特点及其在航天领域的应用  29-32
    1.7.1 聚酰亚胺组成及性能  29-30
    1.7.2 航天器用聚酰亚胺薄膜研究与应用现状  30-32
  1.8 粒子辐射过程模拟  32
  1.9 研究目的及内容  32-33
第2章材料设备及试验方法  33-39
  2.1 试样  33
  2.2 辐照设备  33-34
  2.3 积分球  34-35
  2.4 吸收光谱基本概念与原理  35
  2.5 太阳吸收比计算  35-36
  2.6 研究方案  36-37
  2.7 试验方法  37-39
    2.7.1 光学性能测试  37
    2.7.2 X射线光电子能谱（XPS）  37-38
    2.7.3 原子力显微镜（AFM）  38
    2.7.4 纳米硬度  38
    2.7.5 X射线衍射（XRD）  38
    2.7.6 傅立叶变换红外光谱（FTIR）  38-39
第3章 Kapton薄膜电子辐照光学性能演化规律  39-47
  3.1 Kapton薄膜电子辐照前后表观变化  39
  3.2 Kapton薄膜透过率变化规律  39-42
  3.3 Kapton镀铝薄膜反射率的变化规律  42-45
  3.4 本章小结  45-47
第4章 Kapton薄膜电子辐照损伤效应  47-70
  4.1 计算机模拟  47-52
    4.1.1 蒙特卡罗方法(Monte Carlo)  47
    4.1.2 Kapton薄膜电子辐照CASINO程序模拟  47-52
  4.2 电子辐照对Kapton薄膜性能的影响  52-55
    4.2.1 表面性貌变化  52-54
    4.2.2 表面硬度测试  54-55
  4.3 电子辐照对Kapton薄膜化学结构的影响  55-66
    4.3.1 XPS分析  55-65
    4.3.2 FTIR分析  65
    4.3.3 XRD分析  65-66
  4.4 机理分析  66-68
    4.4.1 辐照对高分子材料基本性能的影响  66-67
    4.4.2 高分子材料的抗辐照性  67
    4.4.3 Kapton薄膜损伤机理分析  67-68
  4.5 本章小结  68-70
结论  70-71
参考文献  71-78
致谢  78

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