PDF《气相沉积法制备聚酰亚胺薄膜不同单体配比的表征及其性能影响》

1 引言惯性约束聚变 (ICF) 是指将激光以一定的方 式作用到靶丸上, 使得靶丸内填充的氘氚燃料向内 压缩, 燃料由于自身惯性的作用在没有向四周飞散 之前就被急剧压缩至高温高密度状态, 实现热核聚 变, 从而获得聚变能的一种方法. ICF 实验对靶丸 性能提出了全面而严格的要求, 除了对靶丸的几何 参数和内外表面状况有严格要求外, 还要求靶丸材 料具有低原子序数、 高抗张强度、 高弹性模量、 良好 的气体渗透性、 耐辐照以及低电导率等特点 [1?3] . 此外根据不同的点火装置和点火方式, 又对靶丸 的形状、 内外径和壁厚等具体参数的要求有所区 别[4?6] . 聚酰亚胺 (PI) 微球作为 ICF 点火实验研 究的重要候选靶丸之一, 最早由美国劳伦斯利弗莫 尔实验室 (LLNL)和罗彻斯特大学激光工程实验室 (LLE) 于1995 年开始研制, 利用加热条件下去除 芯轴微球的方法制备的 PI 微球于 2004年已基本满 足ICF 的要求 [7,8] . 国内在 PI靶丸方面的研究起步 较晚, 前期的研究主要集中在气相沉积法制备平面 膜表面质量的提高、 热环化薄膜光学性能分析、 聚 酰胺酸微球制备过程中弹跳方式对表面粗糙度影 响的研究等方面 [9?13] , 但对于提高 PI 微球力学性 能和热稳定性的研究未见报道. 因此, 开展相关研 究对于实现 PI 微球在惯性约束聚变方面的应用具 ? 通信作者. E-mail: [email protected] ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 035203-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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035203 有重要意义. PI是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物, 具 有结构稳定、 耐高低温、 耐辐照、 机械性能优良、 膨 胀系数低、 介电性能良好等特点, 是一种综合性能 极为优异的特种工程塑料, 在航空航天、 微电子器 件、 液晶显示等多种领域均有广泛应用 [14] . 制备 聚酰亚胺材料的主要方法有溶液法和气相沉积法, 气相沉积聚合法 (VDP) 制备高聚物近年来在微电 子器件、 半导体材料等方面的研究越来越受到重 视, 并展现出巨大的应用前景 [15,16] . VDP 制备聚 酰亚胺材料最早于

1985 年由 Salem 等[17] 和Iijima 等[18] 分别实现, 迄今为止已经发展成为一套较为 成熟的方法, 展现出其他制备方法所不具备的优 点. 与传统的溶液法相比, 气相沉积法制备的聚酰 亚胺薄膜具有厚度可控、 均匀性和表面平整度更 好、 无溶剂造成的干扰以及可以在复杂结构的表面 沉积成膜等特点, 在平面膜和微球制备等方面有巨 大的优势 [2,3,10?12] . VDP 制备 PI 的过程分为两个步骤: 第一步在 真空条件下分别加热两种单体原料 (均苯四甲酸二 酐(PMDA)、 二氨基二苯醚 (ODA)), 一定的温度下 单体升华为气态, 两种单体气态分子分别扩散到衬 底表面沉积并发生缩聚反应生成聚酰胺酸 (PAA);

第二步将制得的 PAA 薄膜在惰性气氛下热环化处 理, PAA转化为PI. 整个过程化学反应如图

1 所示. 图1PI 制备过程化学反应方程式 Fig. 1. Synthetic scheme of PI. VDP 制备 PI 微球的过程与制备 PI 薄膜的过 程类似, 均为两步法: 第一步在聚-α-甲基苯乙烯微 球(PAMS) 表面沉积 PAA 涂层;

第二步将制备的 PAA/PAMS 复合微球放入环化炉中加热环化. 所 不同的是: 1) 由于 PAA 薄膜是由两种单体聚合生 成, 为使两种单体均匀反应, 沉积过程中应使衬底 平台以一定的速率转动, 而制备 PI 微球的过程中, 采用球形衬底, 同时为保证涂层的均匀性, 除了需 要整个衬底平台转动外, 还需引入一定的激励方式 使微球发生随机弹跳;