基于自由基形成与演化规律的聚酰亚胺空间带电粒子辐射损伤机理

Under charged particles irradiations, free radical defects could be firstly induced in polymers due to ionization and/or displacement effects. As a primary behavior of the irradiated damage processes in the materials, the studies on the formation and evolution models of the induced free radicals are essential to determine the dynamics and expose the damage mechanisms of polymers under the combined irradiations with electrons and protons in space. In this study, a newly proposed method will be explored through combination of the quantitative characterizations of free radicals with structural analysis to study the damage behaviors of the irradiated materials. Hence, the space-applied polyimide (PI) and the surface modified PI with oxides were selected as representative objects to be investigated the formation, evolution dynamics and thermodynamical stability of the irradiation-induced free radicals. Then one can expose the mechanisms on the formation and evolution of the irradiation-induced free radicals, and on the surface-oxide-film enhanced damage effects in PI. Afterward, equivalent damage models could be established on the induced free radical behaviors in polymers under various irradiation conditions. On the basis of the free radical damage behaviors and the in-situ measurements of the optical and electrical properties of polymers, the property degradation of polymers under different irradiation procedures could be formulated while the degradation mechanisms could be obtained. This would be the precondition to determine the equivalent damage criterion for the property degradation of polymers under the space combined irradiations. From the free radical damage point of view, this project would supply a new approach to investigate the irradiation damage mechanisms and to predict the service lifetime of polymers applied in space.

带电粒子辐射聚合物材料产生的电离或/和位移效应会首先诱发自由基缺陷。作为辐射损伤的基本过程，研究自由基产生和演化规律有助于揭示空间质子/电子综合辐射下聚合物材料损伤动力学过程和物理本质。本研究探索以辐射自由基量化表征和材料结构分析相结合的新方法，以空间用聚酰亚胺（PI）和表面氧化物改性PI材料为对象，通过研究在不同辐射条件下自由基缺陷的形成、演化动力学规律和热力学稳定性，揭示聚合物材料的辐射自由基形成的物理机制、自由基演化的热力学本质以及表面氧化物改性增强聚合物自由基损伤效应的物理机制，建立在不同辐射条件下材料自由基损伤等效模型。基于上述机理，通过材料光学性能和辐致电导原位测量分析，揭示不同辐射条件下材料光学和电性能退化动力学规律及本质，确定在综合辐射条件下材料性能退化地面模拟等效判据。该研究为聚合物材料辐射损伤理论研究和空间服役寿命预测探索新的途径。

本项目以带电粒子辐照诱发自由基为切入点，以聚酰亚胺及表面改性聚酰亚胺材料为研究对象，研究了辐照诱发自由基缺陷的形成机制及其时效演化过程，揭示了材料光学、电学性能的损伤机制，分析了PI表面纳米SiO2沉积层对上述过程的影响机制，并针对综合辐照环境下材料性能演化进行了研究。.研究表明，质子辐照导致聚酰亚胺内部形成热解碳自由基，进一步的分析表明质子辐照的位移效应是聚酰亚胺中自由基形成及光学性能退化的主要原因。在存储过程中，自由基的复合及表面中和效应导致自由基的含量降低及光学性能的恢复，其演化遵循指数与线性之和的模式。.质子SiO2/PI材料的过程中，辐照产生自由基含量显著增加，且自由基含量及光学损伤仍然随着位移吸收剂量仍然呈线性增加模式。受到自由基分布的影响，在时效过程中，自由基含量的降低遵循两个指数之和模式。.借助于自由基稳定性的研究结果，研究了辐照通量对聚酰亚胺材料性能的影响，并建立了通量等效模型。该模型的建立为更加真实的反映出材料空间服役行为提供了理论支撑。.综合辐照环境下材料辐照损伤行为研究表明聚酰亚胺材料的辐照损伤行为存在两个区间，在低注量的条件下，材料的损伤程度随着辐照注量的增加而增加，当注量超过5×1015cm-2时，材料损伤程度反而降低。这种“反常”现象出现的本质有待进一步研究。.另一方面，针对材料电学特性进行了研究。质子辐照位移效应导致材料中分子链降解，造成聚酰亚胺载流子激发能力降低；质子辐照损伤效应导致聚酰亚胺材料内部浅能级载流子陷阱增多，引起载流子传输效率下降。这两种效应的共同作用下，材料的辐致电导率随辐照质子注量的增加而下降，并在此基础之上建立了质子辐照后聚酰亚胺辐致电导率随位移损伤剂量的退化规律。同时针对不同能量的质子辐照后聚酰亚胺介电性能进行了研究，结果表明质子辐照位移效应引发的分子链结构损伤是材料介电行为变化的主要原因。.本项目的研究为聚酰亚胺材料的空间应用及寿命预测奠定了工程与理论基础。