LDPE-MWCNTs復(fù)合材料低能質(zhì)子及電子輻照效應(yīng)與機(jī)理.pdf

1、低能質(zhì)子和電子是空間帶電粒子輻射環(huán)境的重要組成部分，會(huì)對(duì)航天用微電子器件產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射損傷。聚乙烯具有優(yōu)良的空間輻射防護(hù)效果，但力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性尚顯不足。針對(duì)航天器用微電子器件輻射防護(hù)的需要，系統(tǒng)研究低密度聚乙烯/多壁碳納米管(LDPE/MWCNTs)復(fù)合材料在低能質(zhì)子和電子輻照下力學(xué)性能與熱學(xué)性能的變化特點(diǎn)及機(jī)理，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程實(shí)際意義。
　　本文通過(guò)拉伸試驗(yàn)、差示掃描量熱分析及熱失重測(cè)試等方法，對(duì)低能質(zhì)子和電子輻照

2、前后LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能特點(diǎn)進(jìn)行了表征，并重點(diǎn)基于同步輻射X射線小角散射(SAXS)和廣角衍射(WAXD)方法對(duì)拉伸變形與變溫過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試分析，揭示了LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的拉伸變形行為、融化和結(jié)晶行為及輻照效應(yīng)和機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的質(zhì)子和電子輻射防護(hù)效果進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。
　　試驗(yàn)表明，低密度聚乙烯(LDPE)經(jīng)低能質(zhì)子和電子輻照后，其拉伸變形

3、行為與輻照前有所不同。低能質(zhì)子輻照時(shí) LDPE的拉伸變形行為仍呈現(xiàn)出三階段變形特征，而低能電子輻照時(shí) LDPE的拉伸變形行為呈現(xiàn)兩階段變形特征。隨輻照注量增加，拉伸強(qiáng)度提高，斷裂延伸率下降。低能電子輻照可使 LDPE新晶體形成受到一定程度抑制。低能質(zhì)子和電子輻照導(dǎo)致 LDPE非晶區(qū)分子鏈交聯(lián)是 LDPE拉伸變形行為變化的主導(dǎo)機(jī)制。在低能質(zhì)子和電子輻照條件下，多壁碳納米管(MWCNTs)既能夠產(chǎn)生位移效應(yīng)又可能呈現(xiàn)電離效應(yīng)。前者導(dǎo)致MWC

4、NTs產(chǎn)生收縮，后者表現(xiàn)為形成穩(wěn)態(tài)非成對(duì)電子。
　　LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的拉伸變形行為與LDPE有明顯不同。隨著MWCNTs添加量由2％增至8%時(shí)，LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的拉伸曲線均由LDPE的三階段特征變?yōu)閮呻A段，應(yīng)力值顯著升高而斷裂延伸率下降。通過(guò)SAXS及WAXD分析發(fā)現(xiàn)，MWCNTs可在LDPE/MWCNTs復(fù)合材料拉伸變形過(guò)程中，阻礙 LDPE基體變形，制約原始片晶破碎、新晶形成及晶體轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)引入了取

5、向強(qiáng)化和界面強(qiáng)化機(jī)制。經(jīng)低能質(zhì)子和電子輻照后， LDPE/2%MWCNTs復(fù)合材料的拉伸變形行為同未輻照前相比，主要表現(xiàn)為使應(yīng)變強(qiáng)化速率顯著提高，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度升高而斷裂延伸率降低。隨著輻照注量和應(yīng)變量增加，均使MWCNTs組元與LDPE基體的界面層畸變度增大。在拉伸變形過(guò)程中，主要強(qiáng)化機(jī)制涉及輻照對(duì)LDPE基體產(chǎn)生交聯(lián)導(dǎo)致的強(qiáng)化效應(yīng)，以及輻照對(duì)MWCNTs強(qiáng)化效應(yīng)的增強(qiáng)(主要是界面強(qiáng)化)。
　　通過(guò)SAXS和WAXD分析表明，低能

6、電子輻照可減緩LDPE融化過(guò)程中的非晶區(qū)膨脹、結(jié)晶過(guò)程中的結(jié)晶中間相形成及非晶區(qū)收縮。低能質(zhì)子輻照對(duì)LDPE融化過(guò)程無(wú)影響，而對(duì)結(jié)晶過(guò)程中的結(jié)晶中間相形成和非晶區(qū)收縮可產(chǎn)生一定的抑制作用。MWCNTs組元能夠在融化過(guò)程中，阻礙LDPE基體非晶區(qū)分子鏈運(yùn)動(dòng)，抑制初始融化并在開(kāi)始融化后促進(jìn)融化過(guò)程，在結(jié)晶過(guò)程中促進(jìn)LDPE基體結(jié)晶中間相的形成，并抑制晶體長(zhǎng)大。低能電子輻照可減緩LDPE/MWCNTs復(fù)合材料融化過(guò)程中的非晶區(qū)膨脹、片晶初始融

7、化及融化過(guò)程，以及結(jié)晶過(guò)程中的結(jié)晶中間相形成、晶體長(zhǎng)大及非晶區(qū)收縮。低能質(zhì)子輻照對(duì)LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的融化過(guò)程沒(méi)有明顯影響，可延緩結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶中間相的形成、晶體長(zhǎng)大及非晶區(qū)收縮。通過(guò)TGA測(cè)試分析表明，低能電子及質(zhì)子輻照均可使 LDPE的熱穩(wěn)定性有所提高。MWCNTs組元能夠使LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的起始降解溫度得到明顯提高。低能質(zhì)子輻照可提高LDPE/MWCNTs復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，而低能電子輻照則使 LDPE/