同步辐射X射线研究外场下聚酰亚胺基纳米杂化薄膜微结构演化及对介电性能的影响

在电场和温度场作用下，聚合物基纳米杂化材料的微观结构变化规律及对介电性能的影响是工程电介质领域关注的问题。本项目对聚酰亚胺基纳米杂化薄膜施加电场及温度场同时，利用强度比普通X射线高数万倍的同步辐射X射线对薄膜进行在线原位测试。在电场强度或温度增加时，研究薄膜中的高分子链与纳米颗粒的尺寸与分布、两相间的界面层状态与厚度等微观结构的演化规律。利用电场和温度场对样品进行预处理，离线测试杂化薄膜微观结构的变化；利用常规手段测试材料宏观介电性能和微观结构；利用Materials Studio软件，在施加外场条件，研究聚酰亚胺基纳米杂化薄膜体系中能带间隙、键长与键角、电荷分布等参数动态变化过程。原位测试与离线测试相结合，实验测试与理论模拟相结合，探索外场对材料微观结构影响的机理、无机纳米颗粒在纳米电介质结构演化过程中的作用、微观结构变化对宏观介电性能的影响，为预报纳米电介质的失效开拓新方法。

本项目采用原位聚合法，添加不同种类无机纳米颗粒，制备不同组分与结构的PI基复合薄膜，研究纳米颗粒种类及复合薄膜结构对材料介电性能的影响。采用小角X射线散射测试技术系统研究聚酰亚胺基复合薄膜中纳米颗粒尺寸分布、界面特性及分形特性。研究结果表明，多层次结构设计显著提高材料性能，多相纳米颗粒掺杂诱发明显的协同作用，不同类型复合薄膜中纳米颗粒尺寸存在最可几分布，呈现多尺度结构；纳米颗粒种类及组分影响复合薄膜的界面态，纳米颗粒存在多重分形维数。.利用同步辐射小角X射线散射（SAXS）技术结合付里叶红外光谱、原子力显微镜和扫描电镜、X射线衍射等测试手段，以准动态的方式研究不同电晕时间后聚酰亚胺基复合薄膜微观结构演化规律，SAXS测试结果表明，电晕后颗粒尺寸、界面层厚度、表面分形和质量分形维数均发生变化，有机相与无机相间界面层厚度增加，其中PI/MMT+AlN三层薄膜界面层厚度最大，层状MMT与球状AlN协同作用显著提高复合薄膜耐电晕性能，同步辐射SAXS方法为研究电晕老化后复合薄膜结构演化过程及耐电晕机理提供理论和实验依据。其他测试手段研究结果表征了复合薄膜的化学结构、表面形貌、相结构随电晕时间增加的演化过程；无机纳米颗粒聚集在薄膜表面，呈现团簇现象，团簇数量增多，尺寸变大，形成有效放电阻挡层；电晕老化引起聚合物高分子结构变化，改变了高分子链的柔顺性，分子链间平均距离增加。利用Materials Studio软件，研究聚酰亚胺基纳米杂化薄膜体系中能带间隙、键长与键角、电荷分布等参数。实验测试与理论模拟相结合，探索外场对材料微观结构影响的机理、无机纳米颗粒在纳米电介质结构演化过程中的作用、微观结构变化对宏观介电性能的影响，为预报纳米电介质的失效提供新方法。 .以同步辐射及其他测试结果为依据，以理论模拟为指导，建立纳米颗粒、聚合物基体、界面层三者关系模型，阐明电晕过程中界面作用及微观结构演化机制；复合薄膜中高分子链通过锚定作用与纳米颗粒相互缠结在一起，形成界面层；随电晕时间增加，纳米颗粒对高分子链的锚定作用减弱，内层（束缚层）厚度变小；高分子链之间平均距离变大，外层（过渡层）厚度增加，束缚层与过渡层厚度比例的变化，削弱放电阻挡层的作用，导致材料失效。本项目研究成果揭示聚酰亚胺基纳米电介质的电晕老化规律；为探索无序的、混沌的纳米电介质体系开拓新视野;丰富和发展纳米电介质基础理论。