外场诱导下纳米杂化聚酰亚胺介电性能及微结构研究

论文摘要

纳米科学技术的发展为新材料的开发和对现有材料的改性提供了新的思路和途径,纳米介质的出现,开辟了电介质新的应用领域。聚酰亚胺（PI）/无机材料以其独有优异的耐热性能、力学性能以及耐电晕等性能,已经在电子、电力、电气等领域得到了广泛应用。聚酰亚胺/无机纳米Al2O3薄膜材料也已逐渐成为国内外研究的重点。为了更深入地研究无机纳米掺杂颗粒对聚酰亚胺薄膜介电以及击穿性能的影响,本文选用溶胶-凝胶法制备掺杂组分分别为0%、5%、10%和20%以及0%、4%、8%、12%、16%和24%两套聚酰亚胺/无机纳米Al2O3薄膜为实验样品,研究组分和外场对薄膜介电性能及击穿孔区形貌的影响。在外加直流高压电场条件下,测量薄膜的介电常数、损耗角的正切值和击穿电压;在外加激光场的条件下,测量薄膜击穿的时间、透光率等特性。利用高倍数显微镜、扫描电子显微镜观察聚酰亚胺/无机纳米Al2O3薄膜击穿孔附近表面形貌,并对击穿区周围的元素分布进行分析。探索组分对薄膜介电性能、击穿特性的影响,分析薄膜内部电场的变化,以及激光对薄膜的改性作用。实验结果表明:掺杂组分为5%、10%和20%的PI薄膜对激光吸收具有相同的过程,薄膜吸收激光的能量,而导致温度升高;当射入的激光功率密度达到薄膜损伤阈值时,薄膜被击穿。控制激光辐照强度,在不击穿薄膜的前提下,辐照薄膜,可对纳米粒子进行诱导,提高薄膜的性能。在温度为20°C、湿度为20%、频率为102-105Hz范围时,不同组分的聚酰亚胺/无机纳米Al2O3薄膜的相对介电常数和损耗角正切值与频率成反比关系。在定频条件下,当Al2O3掺杂含量增加到5%时,薄膜相对介电常数增幅最大;掺杂含量为10%时,损耗角正切值增幅最大。聚酰亚胺/无机纳米Al2O3薄膜击穿过程中产生大量焦耳热,是一个逐渐侵蚀、高温熔融的过程,伴有热传递作用,以热应力的形式使薄膜破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验样品
• 2.2 实验仪器
• 2.2.1 激光击穿实验
• 2.2.2 直流电压击穿实验
• 2.3 介电性能测试
• 2.4 表面形貌观察
• 第3章 激光场对纳米杂化聚酰亚胺薄膜损伤
• 3.1 杂化PI薄膜激光辐照能量与时间关系
• 3.2 组分对杂化PI薄膜击穿孔形貌的影响
• 3.3 击穿孔附近元素分布
• 3.4 激光场对薄膜损伤机理研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 电场对纳米杂化聚酰亚胺薄膜损伤
• 4.1 掺杂组分对PI薄膜介电性能的影响
• 4.2 电极材料对PI薄膜介电和击穿性能的影响
• 4.2.2 电极材料对PI薄膜介电性能的影响
• 4.2.3 电极材料对PI薄膜击穿特性的影响
• 4.3 激光辐照后PI薄膜电击穿性能测试
• 4.4 PI薄膜击穿孔表面形貌
• 4.5 直流电场对薄膜损伤机理研究
• 4.6 激光场对纳米粒子改性机理初探
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学位论文
• 致谢