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《電子束輻照對(duì)聚酰亞胺電氣性能的影響》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、電子輻照環(huán)境下聚酰亞胺電氣性能的研究賈人摘要:研究了高能電子束輻照對(duì)聚酰亞胺薄膜(PI)試樣電氣性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高能電子束輻照后PI的介電常數(shù)減小,電導(dǎo)率增大,電損耗增大。關(guān)鍵詞:聚酰亞胺;納米改性;電子輻射;介電性能1前言在空間高真空輻射環(huán)境下,宇宙射線、高能電子、等離子體會(huì)造成航天器介質(zhì)深層帶電和在介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷積累。高、低溫的迅速轉(zhuǎn)換會(huì)造成航天器介質(zhì)結(jié)構(gòu)的陰面與陽(yáng)面之間產(chǎn)生較大電位差而引發(fā)脈沖放電。高能量放電脈沖會(huì)導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)工作異常,甚至發(fā)生電子元器件或介質(zhì)材料擊穿事故而造成衛(wèi)星功能失效。研究輻射環(huán)境下介質(zhì)材料的帶電與介電性能,對(duì)于應(yīng)用在輻射環(huán)境下介質(zhì)材料的發(fā)展具有
2、重要意義。在空間環(huán)境下電介質(zhì)的帶電主要有以下幾種：深層充放電效應(yīng)：空間輻射環(huán)境下,高能電子容易在航天器外圍介質(zhì)材料內(nèi)部或穿過(guò)航天器屏蔽層在其內(nèi)部的介質(zhì)材料上沉積.當(dāng)這些介質(zhì)材料表面與周圍其他部件的電位差或者材料內(nèi)部沉積電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)超過(guò)一定閾值時(shí)會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。靜電效應(yīng)：對(duì)于輻照聚合物而言,在電子輻照有效射程之后,存在一個(gè)最大電荷組合發(fā)生區(qū)域。當(dāng)聚合物絕緣厚度大于電子有效射程時(shí),將出現(xiàn)負(fù)電荷積累，產(chǎn)生表面放電現(xiàn)象。電子陷阱：在輻照聚合物的過(guò)程中,相對(duì)于均相部分和無(wú)缺陷部分,其俘獲電子的能力也不同,或者說(shuō),在給定劑量(電子能量)下,電子穿透這些區(qū)域的概率是不同的。不能形成穿透的電子將在不
3、均相和有缺陷區(qū)域形成電子積聚。輻射誘導(dǎo)：空間輻照環(huán)境下，高能電子注入材料體內(nèi)，受激原子的電子發(fā)生躍遷形成電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致電導(dǎo)率大大增加。2試驗(yàn)高能電子加速器及介電譜分析儀實(shí)驗(yàn)采用高能電子加速器為蘭州510研究所的ILU-6型直線式電子加速器,能量范圍0.8~2.5MeV,束流密度0.35μA/cm2。實(shí)驗(yàn)選用能量為1.2MeV高能電子束,在一個(gè)大氣壓、溫度為20℃下對(duì)PI薄膜輻照10min;輻照結(jié)束后將試樣同干燥劑一起放入密封袋中;靜置72h后測(cè)試被輻照試樣的介電常數(shù)εr、電導(dǎo)率γ、介質(zhì)損耗角正切值tanδ,實(shí)驗(yàn)溫度為20℃。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1輻照對(duì)PI介電常數(shù)的影響根據(jù)電介質(zhì)物
4、理理論,高能電子束輻照后PI的介電常數(shù)變化規(guī)律,可以利用描述電介質(zhì)極化的克勞休斯-莫索締(Clausius_Mosotti)方程(1)來(lái)解釋:（1）式中,εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),ε0為真空介電常數(shù),N表示電介質(zhì)單位體積中的分子數(shù),ae,aa,ad和aT分別表示電子極化率、離子極化率、轉(zhuǎn)向極化率和熱離子極化的等效極化率。對(duì)于某一具體電介質(zhì),往往只有一種或者兩種極化占主導(dǎo)地位。從方程(1)可知,影響相對(duì)介電常數(shù)的因素主要有兩個(gè):一是材料在電場(chǎng)下的極化率,另一個(gè)為材料單位體積中的分子數(shù)N。首先考慮極化率。PI分子極化率主要為本征電子極化率和雜質(zhì)離子極化率。高能電子輻照后的試樣中存儲(chǔ)了大量的
5、負(fù)極性空間電荷,所形成的空間電荷電場(chǎng)會(huì)使靜電電子極化率增強(qiáng);又由于高能電子束輻照后的聚合物產(chǎn)生一些雜質(zhì)離子,會(huì)導(dǎo)致離子極化和相應(yīng)的轉(zhuǎn)向極化加強(qiáng)。在沒(méi)有其它影響因素的前提下,三種極化率都增大,將導(dǎo)致相對(duì)介電常數(shù)增大。影響相對(duì)介電常數(shù)的另外一個(gè)因素是單位體積中的分子數(shù)N。在高能電子束輻照下PI會(huì)產(chǎn)生一些低分子化合物和氣體,這些氣體及低分子產(chǎn)物的逃逸會(huì)在樣品中留下許多微小孔隙。因此使樣品的孔隙含量增加和空隙尺寸增大,導(dǎo)致單位體積中的分子數(shù)N減小,使得介電常數(shù)減小。這一影響因素和前面分析的極化率影響因素對(duì)于介電常數(shù)的變化正好相反。從圖1測(cè)量結(jié)果看出,輻照后PI介電常數(shù)比輻照前減小了,表明輻照后
6、PI的等效宏觀介電常數(shù)減小可能占主要地位。3.2輻照對(duì)PI電導(dǎo)率的影響當(dāng)有多種載流子參與導(dǎo)電時(shí),電介質(zhì)的電導(dǎo)率計(jì)算公式可以表示為:(2)式中,ni、qi、μi分別為第i種載流子的濃度、所帶電荷以及電荷遷移率。實(shí)驗(yàn)的PI試樣的載流子主要為電子電導(dǎo)和少量雜質(zhì)離子產(chǎn)生的電導(dǎo)。從圖2可以看出,輻照后PI試樣的電導(dǎo)率增大,其原因可以從三方面來(lái)解釋:一是由屠德民等的陷阱理論,聚合物能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是禁帶寬、導(dǎo)帶窄,高能電子輻照會(huì)在禁帶中形成大量局域態(tài)，空間電荷會(huì)落入禁帶中各種深度的陷阱之中,但淺陷阱電荷在外電場(chǎng)激勵(lì)下仍有部分可能參與導(dǎo)電,故輻照后試樣電導(dǎo)率明顯升高;另外一個(gè)影響因素是離子電導(dǎo),輻照后
7、材料發(fā)生微降解,產(chǎn)生斷鏈、側(cè)基、帶、晶片等,同時(shí)產(chǎn)生低分子化合物,這些雜質(zhì)形成了離子電導(dǎo),繼而使得輻照后的電導(dǎo)率升高。第三個(gè)影響因素為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率。輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率與介質(zhì)材料的能帶結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。對(duì)于電阻率較高的電介質(zhì)來(lái)說(shuō),典型的電介質(zhì)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶寬度為3~6eV。當(dāng)高能能電子注入材料體內(nèi),會(huì)使原子受到激發(fā)而電離,使電子從價(jià)帶躍遷到能量較高的導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對(duì),其數(shù)量會(huì)大大超過(guò)本征載流子的數(shù)量,使電導(dǎo)率產(chǎn)生明顯變化,這是電子輻射產(chǎn)
