劉曉旭, 閻 凱, 朱 波, 殷景華

(1.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,哈爾濱 150027;2.哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150080)

聚酰亞胺納米雜化薄膜的透光率與光擊穿特性

劉曉旭1,2, 閻 凱1, 朱 波1, 殷景華2

(1.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,哈爾濱 150027;2.哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150080)

為了研究無(wú)機(jī)組分的添加對(duì)復(fù)合材料抗光擊穿能力的影響,采用溶膠—凝膠法制備不同組分的Al2O3/PI復(fù)合薄膜,利用半導(dǎo)體激光照射不同組分的Al2O3/PI薄膜,研究其透光率、光擊穿區(qū)域的形貌及不同區(qū)域的元素分布、擊穿孔區(qū)的有效面積。數(shù)據(jù)分析表明:隨 Al2O3含量的增加,雜化薄膜的透光率、光擊穿孔區(qū)的破壞程度、孔區(qū)的面積逐漸下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:納米 Al2O3顆?？梢詼p小復(fù)合薄膜擊穿孔的有效面積,從而提高復(fù)合薄膜耐擊穿性。雜化薄膜的透光率可以表征其光擊穿情況。

透光率;光擊穿;納米雜化;Al2O3/PI薄膜

0 引 言

聚酰亞胺 (PI)的發(fā)展已近半個(gè)世紀(jì)。其性能優(yōu)良,應(yīng)用非常廣泛。為了進(jìn)一步提高其物理性能和其他功能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作[1-6]。無(wú)機(jī)納米顆粒改善聚酰亞胺性能屬于典型成果。聚酰亞胺中添加一定量的陶瓷氧化物,可以保持基體原有的耐高溫性能,大幅度提高材料整體的耐電暈性能,延長(zhǎng)薄膜的使用壽命等[7]。納米 Al2O3/PI薄膜的制備工藝和宏觀改性、表征幾個(gè)方面成為研究的熱點(diǎn)。尤其在電氣絕緣方面,該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)材料達(dá)到納米級(jí)尺寸后,其表面、界面以及晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化。雜化 PI薄膜微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究證明,無(wú)機(jī)納米顆粒尺寸小,界面濃度高,量子效應(yīng)和晶界效應(yīng)優(yōu)異,但激光照射對(duì)Al2O3/PI薄膜的影響鮮有報(bào)道。筆者對(duì)不同組分復(fù)合薄膜從透光率、光擊穿孔形貌及擊穿孔區(qū)面積的視角,研究雜化薄膜的性能,以期獲得材料的光擊穿性質(zhì)與透光率的關(guān)系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

采用溶膠—凝膠方法制備聚酰亞胺基無(wú)機(jī)納米復(fù)合薄膜。實(shí)驗(yàn)樣品制備工藝為:先得到具有一定粘度的聚酰胺酸 (PAA),再加入氧鋁體系經(jīng)過(guò)鋪膜、熱處理和亞胺化等過(guò)程,得到淺黃色透明的, Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 5%、10%、20%和 24%的復(fù)合薄膜,薄膜厚度為 25μm。

1.2 測(cè)試方法

利用紫外 -可見光譜儀 (Germany Bruker EQU INOX 55 Fourier)對(duì)復(fù)合 PI膜透光率定量的測(cè)量。利用波長(zhǎng)為 532 nm的半導(dǎo)體激光器對(duì)復(fù)合PI膜進(jìn)行激光輻照,采用功率計(jì)對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行測(cè)量,每次調(diào)整激光器使其輸出功率在85 mW左右,試樣距激光器的距離為 110 cm,室溫下經(jīng)過(guò) 8～12 h,不同組分的雜化薄膜發(fā)生光擊穿。采用 Philips掃描電子顯微鏡觀察不同組分Al2O3/PI復(fù)合薄膜擊穿孔區(qū)微觀形貌及對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米雜化薄膜透光率

圖 1為波長(zhǎng)為 532 nm時(shí)不同組分的復(fù)合 PI薄膜透光率隨 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化圖,從圖 1可見,該波長(zhǎng)下雜化薄膜透光率T約在 50%～70%,與純的 PI薄膜(92%)相比透光率不高,可見此時(shí)薄膜中納米顆粒對(duì)光的散射與遮蔽作用、豐富的有機(jī)與無(wú)機(jī)的界面對(duì)激光的折射與反射作用、對(duì)光的吸收等作用明顯。接下來(lái)用波長(zhǎng)為 532 nm半導(dǎo)體激光器對(duì)各個(gè)雜化薄膜進(jìn)行激光輻照,隨輻照時(shí)間的增加,薄膜吸收的能量會(huì)大于向空氣中散失的能量,所以在光照處就會(huì)積累能量,當(dāng)這個(gè)能量達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),便會(huì)引發(fā)光擊穿現(xiàn)象。下面對(duì)該光擊穿現(xiàn)象作進(jìn)一步的研究并探索光擊穿現(xiàn)象與透光率的聯(lián)系。

圖 1 透光率隨 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.1 Trans m ittance varying with increase of Al2O3

2.2 擊穿區(qū)形貌與元素分布

利用波長(zhǎng)為 532 nm的半導(dǎo)體激光器對(duì)不同組分 Al2O3/PI雜化薄膜進(jìn)行激光輻照擊穿實(shí)驗(yàn),擊穿孔區(qū)微觀形貌見圖 2。由圖 2可見,在長(zhǎng)時(shí)間的激光作用下雜化薄膜上都形成了直徑約為100μm不規(guī)則的光擊穿孔,擊穿孔附近有明顯激光燒蝕圓形的暈,在暈的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)清晰裂紋。隨納米顆粒組分增加,擊穿孔區(qū)裂紋數(shù)量減少;每個(gè)擊穿孔微區(qū)形貌各不相同,距離擊穿孔邊緣越近,該區(qū)域越粗糙,突起的絮狀物越多,破損越嚴(yán)重。在外界應(yīng)力和光的綜合作用下,擊穿孔上存在清晰的裂痕。隨納米顆粒含量增加,薄膜熱導(dǎo)率相應(yīng)增加,激光提供的能量散失到周圍的環(huán)境,可以抑制裂紋生長(zhǎng),使雜化薄膜在力和熱場(chǎng)綜合作用產(chǎn)生的龜裂減小,在一定程度上提高薄膜的性能;離擊穿孔邊緣越近時(shí),該區(qū)域也越為粗糙,突起的絮狀物也越多,破損也很嚴(yán)重,這是因?yàn)榧す獾墓獍吣芰康姆植家话闶窃娇拷行哪芰吭酱?對(duì)材料的破壞也越大。另外,光垂直薄膜表面輻照,薄膜穿透的尺寸與表面破壞區(qū)域相比,相差非常大,說(shuō)明沿徑向傳遞熱能的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱向傳遞速度。同時(shí),徑向熱場(chǎng)分布與納米顆粒分布有關(guān),顆粒分布均勻?qū)е螺椪諢釄?chǎng)分布均勻。

由以上現(xiàn)象及圖 2可見:隨透光率的增加,光擊穿孔的裂紋在增加,擊穿孔的破壞程度也在增加。其中組分為 5%的薄膜透光率最高,其被破壞的最為嚴(yán)重。組分是 5%的薄膜,雖然其透過(guò)光的能量高薄膜吸收的能量低,但由于薄膜中無(wú)機(jī)納米顆粒含量少,此時(shí)薄膜對(duì)光的吸收大部分是對(duì)光子的吸收,而在材料中散射和折射的光很少;其熱導(dǎo)率也很低,所以散射和折射的那部分光能也很難散失,從而導(dǎo)致幾乎所有吸收的能量都儲(chǔ)存起來(lái)參與對(duì)薄膜的破壞,進(jìn)而造成材料的嚴(yán)重?fù)p壞。

圖 2 不同含量 Al2O3的雜化 PI的光擊穿形貌Fig.2 M orphology of optical breakdown region of hybrid film s with different content of Al2O3

圖 3為圖 2a的局部區(qū)域及相應(yīng)的元素分布。Ⅰ區(qū)為擊穿孔的邊緣,Ⅱ區(qū)為近鄰擊穿孔的暈環(huán)內(nèi)區(qū)域,Ⅲ區(qū)為暈環(huán)外區(qū)域。不同組分樣品不同區(qū)域的 C、O和Al元素分布見表 1。由表 1可見,不同區(qū)域的 C、O和Al元素分布不同,離擊穿孔中心越近,C元素越少,Al元素相應(yīng)增加;組分不同的薄膜在擊穿孔區(qū),隨納米顆粒組分增加,C元素減小;Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24%的樣品C元素在三個(gè)區(qū)域中的變化最顯著,Ⅱ區(qū)的 C元素約為Ⅰ區(qū)的2.2倍,表明此時(shí)激光輻照對(duì)材料的不同區(qū)域影響差別很大,對(duì)Ⅱ區(qū)的破壞程度遠(yuǎn)小于對(duì)孔區(qū)的破壞,整體破壞程度小于其他組分的薄膜。離擊穿孔中心越近,激光束的能量越大薄膜被燒蝕的越厲害,C元素?fù)p失的也越多;分析 C元素可知, Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24%時(shí),激光對(duì)孔區(qū)以外的區(qū)域的破壞程度最小。這同樣說(shuō)明納米顆粒的含量對(duì)激光對(duì)材料的破壞存在顯著的影響,材料中無(wú)機(jī)納米顆粒高的熱導(dǎo)率有助于能量的擴(kuò)散,所以能延緩激光對(duì) PI的破壞。

此外不同組分的 PI膜擊穿孔邊緣的 C元素的含量隨組分變化趨勢(shì)和其透光率的變化趨勢(shì)相同。這與上文掃描電鏡得到的結(jié)果 (隨透光率的增加,光擊穿孔的裂紋在增加,擊穿孔的破壞程度也在增加)相一致。由此可以根據(jù)透光率的大小來(lái)預(yù)判激光對(duì)材料的破壞情況。

2.3 光擊穿孔區(qū)面積

采用數(shù)學(xué)積分方法計(jì)算不同組分 PI復(fù)合薄膜擊穿孔有效面積。利用圖像處理技術(shù),對(duì)擊穿孔形貌進(jìn)行二值化處理。為了取得清晰準(zhǔn)確的擊穿孔邊界,需要根據(jù)圖像的邊緣的不同特征,選擇合適的算子,對(duì)孔洞內(nèi)部進(jìn)行色彩填充,以使其內(nèi)部像素點(diǎn)呈 on狀態(tài),可計(jì)算得到圖像面積的值,圖 4為 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí),光擊穿孔的圖象處理結(jié)果。對(duì)圖 4結(jié)果利用Matlab軟件計(jì)算有效面積的數(shù)值,結(jié)果見圖 5。由圖 5可以看出,組分與擊穿孔有效面積關(guān)系為:S24

此外,由圖 5和 1可知擊穿孔區(qū)面積和透光率的變化趨勢(shì)大體相同,也就是說(shuō)隨透光率的增加光擊穿孔的面積也在增加,可用透光率大小來(lái)表征光擊穿孔的大小,這與上文得到的結(jié)論相一致,可根據(jù)PI的透光率定性的預(yù)判激光對(duì)其的破壞情況。

3 結(jié) 論

(1)利用紫外 -可見光譜儀得到三氧化二鋁含量不同的雜化 PI膜的透光率,發(fā)現(xiàn)隨 Al2O3含量的增加,雜化薄膜的透光率逐漸下降。其原因是:納米顆粒及二次團(tuán)聚的無(wú)機(jī)納米顆粒的增加,對(duì)入射光的散射與遮蔽作用增強(qiáng);納米雜化材料中豐富的有機(jī)與無(wú)機(jī)的兩相界面,對(duì)光的折射或反射等作用增強(qiáng)。

(2)雜化 PI的光擊穿實(shí)驗(yàn)表明:納米顆粒的添加有助于增強(qiáng)雜化 PI膜的抗光擊穿能力。隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,光擊穿孔的龜裂和面積均減小。

(3)數(shù)據(jù)分析表明:氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的 PI的透光率,分別和光擊穿孔的面積、擊穿孔邊緣的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)一致。因此,可以根據(jù)不同組分的雜化 PI膜的透光率變化情況來(lái)判斷其光擊穿情況,即對(duì)激光對(duì)材料的破壞程度做定性的預(yù)報(bào)。

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Research on transm ittance and characteristics of optical breakdown ofAl2O3/P Ihybrid fi lm s

L IU Xiaoxu1,2,YAN Kai1,ZHU B o1,YIN Jinghua2
(1.Center for Engineering Training&Basic Experimentation,Heilongjiang Institute of Science&Technology, Harbin 150027,China;2.School ofApplied Science,Harbin University of Science&Technology, Harbin 150080,China)

Aimed at investigating the effect of addition of inorganic content(Al2O3)on the anti-optical breakdown of hybrid fi lms,this paper introduces the preparation of the Al2O3/PI composition films with different content by Sol-Gelmethod,the irradiation of the Al2O3/PIfilms using semiconductor laser, and the identification of the trans mittance of hybrid films,the morphology of optical breakdown region, element distribution in different regions,and the effective area of optical breakdown hole.The data analysis show that the light tran smittance of the fi lms and the size of the breakdown hole decrease with the increase ofAl2O3.The results show that the nano-Al2O3can reduce the effective area of breakdown hole in the films,thus increasing breakdown-resistance performance,and characterizing the optical breakdown situation by tran smittance of hybrid fi lms.

tran smittance;light breakdown;nanohybrid;Al2O3/PI film

TB383

A

1671-0118(2011)02-0100-04

2011-02-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51077028)

劉曉旭(1982-),男,黑龍江省慶安人,講師,碩士,研究方向:納米復(fù)合材料,E-mail:liu88062321@163.com。

(編輯王 冬)