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纳米杂化薄膜微结构分子模拟与表征及电性能

2020-11-23阅读(168)

纳米杂化薄膜微结构分子模拟与表征及电性能

论文摘要

本文采用X射线衍射和小角X射线散射分析、扫描电镜、透射电镜分析及材料结构与性能模拟软件等方法，研究溶胶-凝胶方法制备无机纳米颗粒杂化聚酰亚胺薄膜和Dupont 100CR薄膜显微结构、纳米颗粒的分布、大小、形状，以及在DC阶梯电场作用下，Dupont 100CR杂化薄膜与Dupont100 HN普通薄膜的击穿特件及击穿机理。 采用Materials Studio软件模拟PI和纳米杂化PI薄膜电子结构、几何结构及能量状态。模拟结果表明，在能量最低和几何结构优化基础上，PI／α-Al2O3体系总能量比PI／SiO2低得多，范德华能比PI／SiO2高出约十倍，PI／α-Al2O3体系比PI／SiO2体系更稳定，与实验结果相一致。 SEM和TEM观察表明，采用溶胶-凝胶方法制备的纳米杂化薄膜中含有SiO2团簇和Al2O3颗粒，SiO2团簇结构不稳定，在高能电子束照射下易分解，Al2O3颗粒结构稳定；SAXS分析表明，该薄膜的分形维数比扩散限制凝聚模型（DLA）的理论值大，团簇是由大量小颗粒构成。 SEM、TEM和XRD测试结果表明，Dupont 100CR纳米掺杂薄膜中只含有Al2O3颗粒，颗粒主要分布在聚酰亚胺有序大分子区域的边界上，在高能电子束照射下Al2O3颗粒结构稳定；薄膜分形维数接近于三维扩散限制凝聚模型（DLA）的理论值，粒子的回旋半径与实验测试结果一致。 采用DC阶梯升压方式，研究Dupont 100CR杂化薄膜和Dupont 100HN普通薄膜击穿特性，击穿属稳态热击穿类型，出现直径为200 μm的丝状孔洞。研究结果表明，两种薄膜击穿孔及周围形貌存在明显差别：100CR击穿孔边缘粗糙不平，破坏范围只在孔附近；100HN变形区域很光滑且破坏范围大，变形区为一个个突起的区域。 研究结果表明，无机纳米颗粒改变了PI薄膜基体的结构环境，起到了改善导热、提高耐电晕性、降低热损伤以及阻止电极损坏等作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 图表索引
  • 符号
  • 第一章 绪论
  • 1.1 有机/无机纳米杂化材料
  • 1.1.1 有机/无机纳米杂化材料特点
  • 1.1.2 有机/无机纳米杂化材料的界面特性
  • 1.2 有机/无机纳米杂化材料制备
  • 1.2.1 溶胶-凝胶法（sol-gel）
  • 1.2.2 原位聚合法（in situ polymerization）
  • 1.2.3 层间插入法（intercalation）
  • 1.2.4 共混法（mixing）
  • 1.3 聚酰亚胺结构与性能
  • 1.3.1 聚酰亚胺结构
  • 1.3.2 聚酰亚胺性能
  • 1.3.3 聚酰亚胺改性
  • 1.4 有机-无机纳米杂化材料的结构表征
  • 1.4.1 振动光谱法
  • 1.4.2 小角X射线散射
  • 1.4.3 电子显微镜
  • 1.5 固体电介质击穿理论
  • 1.5.1 固体电介质击穿类型和特点
  • 1.5.2 晶体击穿理论
  • 1.5.3 高聚物击穿理论
  • 1.5.4 空间电荷理论
  • 1.6 分形
  • 1.6.1 扩散限制的凝聚（DLA）模型
  • 1.6.2 动力学集团凝聚（KCA）模型
  • 1.6.3 扩散与化学限制凝聚（DCLA）模型
  • 1.6.4 高分子的分形模型
  • 1.6.5 分形在材料研究的应用
  • 1.7 本文研究目的及主要研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 实验方法及材料
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 Dupont薄膜
  • 2.1.2 无机纳米聚酰亚胺薄膜制备
  • 2.2 高电场击穿试验
  • 2.3 热刺激电流（TSC）谱和电致发光（EL）谱测量
  • 2.3.1 热刺激电流（TSC）谱
  • 2.3.2 电致发光（EL）谱
  • 2.4 薄膜显微结构分析
  • 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
  • 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
  • 2.5 薄膜物相及成分分析
  • 2.5.1 X-射线衍射（XRD）分析
  • 2.5.2 小角X-射线散射（SAXS）分析
  • 2.5.3 薄膜成分分析
  • 第三章 Materials-studio软件及相关模块简介
  • 3.1 Materials-studio软件简介
  • 3.2 建模与几何结构和电子结构模块
  • 3.2.1 Materials Visualizer模块
  • 3.2.2 VAMP模块和DMol3模块
  • 3.2.3 Reflex模块
  • 3.3 性能预测模块
  • 3.3.1 Amorphous Cell模块
  • 3.3.2 Discover模块
  • 3.3.3 Forcite模块
  • 3.4 分子动力学模拟
  • 3.4.1 分子动力学模拟基本原理
  • 3.4.2 分子动力学模拟方法
  • 3.4.3 分子动力学模拟步骤
  • 参考文献
  • 第四章 纳米杂化聚酰亚胺薄膜结构与性能模拟
  • 4.1 聚酰亚胺几何结构和电子结构
  • 4.1.1 聚酰亚胺几何结构
  • 4.1.2 聚酰亚胺电子结构
  • 2几何结构与电子结构'>4.2 PI/SiO2几何结构与电子结构
  • 2几何结构'>4.2.1 PI/SiO2几何结构
  • 2电子结构'>4.2.2 PI/SiO2电子结构
  • 4.3 PI封装及系统优化
  • 4.3.1 创建PI聚合物
  • 4.3.2 PI能量优化
  • 4.3.3 PI几何优化
  • 4.3.4 其他优化
  • 4.3.5 PI封装模型内聚能密度和溶解度参数
  • 2O3和SiO2表面模型'>4.4 建立PI表面及α-Al2O3和SiO2表面模型
  • 2O3结构'>4.4.1 Al2O3结构
  • 2O3和SiO2（012）晶面模型'>4.4.2 建α-Al2O3和SiO2（012）晶面模型
  • 2O3和PI/SiO2表面模型'>4.4.3 PI/α-Al2O3和PI/SiO2表面模型
  • 2O3和PI/SiO2表面与PI表面结合能'>4.4.4 α-Al2O3和PI/SiO2表面与PI表面结合能
  • 4.4.5 H原子对复合薄膜体系的影响
  • 2O3和PI/SiO2系统能量'>4.5 PI/α-Al2O3和PI/SiO2系统能量
  • 4.5.1 PI能量
  • 2O3和PI/SiO2纳米复合薄膜模型'>4.5.2 PI/α-Al2O3和PI/SiO2纳米复合薄膜模型
  • 2O3和PI/SiO2能量'>4.5.3 PI/α-Al2O3和PI/SiO2能量
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 纳米杂化聚酰亚胺薄膜显微结构及颗粒稳定性
  • 5.1 溶胶-凝胶法制备薄膜显微结构与颗粒稳定性
  • 5.1.1 薄膜表面形貌和显微结构
  • 5.1.2 薄膜成分及相结构
  • 5.1.3 纳米颗粒稳定性
  • 5.2 Dupont掺杂薄膜显微结构与颗粒稳定性
  • 5.2.1 薄膜表面形貌与显微结构
  • 5.2.2 薄膜成分与相结构
  • 5.2.3 纳米颗粒稳定性
  • 5.3 纳米杂化PI薄膜分形特征
  • 5.3.1 小角X射线散射原理
  • 5.3.2 溶胶-凝胶制备薄膜的分形特征
  • 5.3.3 Dupont 100CR薄膜分形特征
  • 5.3.4 纳米颗粒回旋半径
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 两种PI薄膜高电场击穿孔显微结构及击穿机理分析
  • 6.1 纳米杂化PI薄膜击穿孔显微结构及元素分布
  • 6.1.1 击穿孔附近显微结构
  • 6.1.2 击穿孔区及正常区元素分布
  • 6.1.3 Cu电极作用
  • 6.2 普通PI薄膜击穿孔显微结构及元素分布
  • 6.3 场发射理论
  • 6.3.1 金属体场发射理论
  • 6.3.2 半导体场发射理论
  • 6.3.3 纳米体系场发射理论
  • 6.4 两种薄膜热刺激电流谱和电致发光谱
  • 6.4.1 两种薄膜热刺激电流谱
  • 6.4.2 两种薄膜电致发光谱
  • 6.4.3 杂化薄膜的介电特性
  • 6.5 纳米杂化PI薄膜击穿机理
  • 6.5.1 热击穿
  • 6.5.2 电介质极化
  • 6.5.3 普通PI薄膜电场分布
  • 6.5.4 杂化PI薄膜电场分布
  • 6.6 无机纳米颗粒作用及丝状孔的形成
  • 6.6.1 无机纳米颗粒的作用
  • 6.6.2 丝状孔的形成
  • 6.7 本章小结
  • 参考文献
  • 结论
  • 致谢
  • 攻读博士期间发表的论文
  • 博士后期间发表的学术论文
  • 个人简历
  • 永久通信地址

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