电子束辐照对聚酰亚胺电气性能的影响.doc

电子辐照环境下聚酰亚胺电气性能的研究贾人摘要:研究了高能电子束辐照对聚酰亚胺薄膜(PI)试样电气性能的影响。实验发现高能电子束辐照后PI的介电常数减小,电导率增大,电损耗增大。关键词:聚酰亚胺;纳米改性;电子辐射;介电性能1前言在空间高真空辐射环境下,宇宙射线、高能电子、等离子体会造成航天器介质深层带电和在介质表面产生电荷积累。高、低温的迅速转换会造成航天器介质结构的阴面与阳面之间产生较大电位差而引发脉冲放电。高能量放电脉冲会导致航天器电子系统工作异常,甚至发生电子元器件或介质材料击穿事故而造成卫星功能失效。研究辐射环境下介质材料的带电与介电性能,对于应用在辐射环境下介质材料的发展具有重要意义 。在空间环境下电介质的带电主要有以下几种：深层充放电效应：空间辐射环境下,高能电子容易在航天器外围介质材料内部或穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积.当这些介质材料表面与周围其他部件的电位差或者材料内部沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象。静电效应：对于辐照聚合物而言,在电子辐照有效射程之后,存在一个最大电荷组合发生区域。当聚合物绝缘厚度大于电子有效射程时,将出现负电荷积累，产生表面放电现象。电子陷阱：在辐照聚合物的过程中,相对于均相部分和无缺陷部分,其俘获电子的能力也不同,或者说,在给定剂量(电子能量)下,电子穿透这些区域的概率是不同的。不能形成穿透的电子将在不均相和有缺陷区域形成电子积聚。辐射诱导：空间辐照环境下，高能电子注入材料体内，受激原子的电子发生跃迁形成电子-空穴对，导致电导率大大增加。2试验高能电子加速器及介电谱分析仪实验采用高能电子加速器为兰州510研究所的ILU-6型直线式电子加速器,能量范围0.82.5MeV,束流密度0.35A/cm2。实验选用能量为1.2 MeV高能电子束,在一个大气压、温度为20下对PI薄膜辐照10 min;辐照结束后将试样同干燥剂一起放入密封袋中;静置72 h后测试被辐照试样的介电常数r、电导率、介质损耗角正切值tan,实验温度为20。3实验结果及讨论3.1辐照对PI介电常数的影响根据电介质物理理论,高能电子束辐照后PI的介电常数变化规律,可以利用描述电介质极化的克劳休斯-莫索缔(Clausius_Mosotti)方程(1)来解释:（1）式中,r为介质的相对介电常数,0为真空介电常数,N表示电介质单位体积中的分子数, ae, aa, ad和aT分别表示电子极化率、离子极化率、转向极化率和热离子极化的等效极化率。对于某一具体电介质,往往只有一种或者两种极化占主导地位。从方程(1)可知,影响相对介电常数的因素主要有两个:一是材料在电场下的极化率,另一个为材料单位体积中的分子数N。首先考虑极化率。PI分子极化率主要为本征电子极化率和杂质离子极化率。高能电子辐照后的试样中存储了大量的负极性空间电荷,所形成的空间电荷电场会使静电电子极化率增强;又由于高能电子束辐照后的聚合物产生一些杂质离子 ,会导致离子极化和相应的转向极化加强。在没有其它影响因素的前提下,三种极化率都增大,将导致相对介电常数增大。 影响相对介电常数的另外一个因素是单位体积中的分子数N。在高能电子束辐照下PI会产生一些低分子化合物和气体,这些气体及低分子产物的逃逸会在样品中留下许多微小孔隙。因此使样品的孔隙含量增加和空隙尺寸增大,导致单位体积中的分子数N减小,使得介电常数减小。这一影响因素和前面分析的极化率影响因素对于介电常数的变化正好相反。从图1测量结果看出,辐照后PI介电常数比辐照前减小了,表明辐照后PI的等效宏观介电常数减小可能占主要地位。3.2辐照对PI电导率的影响当有多种载流子参与导电时,电介质的电导率计算公式可以表示为: (2)式中,ni、qi、i分别为第i种载流子的浓度、所带电荷以及电荷迁移率。实验的PI试样的载流子主要为电子电导和少量杂质离子产生的电导。从图2可以看出,辐照后PI试样的电导率增大,其原因可以从三方面来解释:一是由屠德民等的陷阱理论,聚合物能带结构的特点是禁带宽、导带窄,高能电子辐照会在禁带中形成大量局域态，空间电荷会落入禁带中各种深度的陷阱之中,但浅陷阱电荷在外电场激励下仍有部分可能参与导电,故辐照后试样电导率明显升高;另外一个影响因素是离子电导,辐照后材料发生微降解,产生断链、侧基、带、晶片等,同时产生低分子化合物,这些杂质形成了离子电导,继而使得辐照后的电导率升高。第三个影响因素为辐射诱导电导率。辐射诱导电导率与介质材料的能带结构有密切的关系。对于电阻率较高的电介质来说,典型的电介质导带和价带之间的禁带宽度为36 eV。当高能能电子注入材料体内,会使原子受到激发而电离,使电子从价带跃迁到能量较高的导带,产生电子-空穴对,其数量会大大超过本征载流子的数量,使电导率产生明显变化,这是电子辐射产生辐射诱导电导率的根本物理机制。3.3辐照对PI电损耗的影响图3为PI在辐照前后介质损耗随频率的变化情况,可知辐照后PI试样中的介质损耗增大。电介质的能量损耗有两部分,一是由电导引起的损耗,另一种是由松弛极化引起的损耗。高能电子辐照后PI试样的电导率增大,故由其引起的电导损耗也必然增大;而辐照后积聚的空间电荷和材料微降解也会对松弛极化有贡献,因而由松弛极化引起的损耗也相应增加。4结论高能电子束辐照PI后介电常数减小,电导率增大,电损耗增大。参考文献:1郑晓泉,王立,秦晓刚.空间环境下介质的可靠性与寿命的地面评价方法研究J.绝缘材料,2006,39(2):18-23.2薛书凯,姜昱.聚酰亚胺/无机纳米杂化材料的研究J.化工新型材料,2006,34(5):5-7.3徐传骧,刘辅宜,钟力生,等.工程电介质物理与介电现象M.西安:西安交通大学出版社,2005.4郑飞虎,张冶文,肖春,等.电子束辐照对PMMA样品介电常数的影响研究J.四川大学学报(自然科学版), 2005,42(s2):337-340.5尹毅,屠德民,李明,等.用等温电流法研究自由基清除剂的作用机理聚合物电老化陷阱理论的实验验证J.中国电机工程学报,2000,20(3):13-15.6 Frederickson A R,Dennison J R.Measurement of Conduc_tivity and Charge Storage in Insulators Related to Space_craft ChargingJ.IEEE Trans. On Dielectric and ElectricalInsulation,2003