新型聚合物熱釋電薄膜材料的設(shè)計(jì)、制備與性能.pdf

1、隨著激光和紅外技術(shù)的發(fā)展,熱釋電效應(yīng)及其應(yīng)用的研究不斷深入,性能優(yōu)良的熱釋電探測器和熱釋電攝像管等器件已廣泛應(yīng)用于軍工和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。熱釋電材料的薄膜化,能降低材料體積比熱,有助于提高熱釋電探測器的靈敏度,提高集成度,因而熱釋電薄膜材料及其應(yīng)用研究越來越廣泛,已成為材料科學(xué)活躍的研究課題之一。熱釋電薄膜的研究一直以來主要集中在無機(jī)材料上,也取得了較大的進(jìn)展,部分材料已達(dá)到實(shí)用化階段,但無機(jī)材料固有的結(jié)構(gòu)缺陷以及制備困難,限制了其

2、應(yīng)用范圍。近年來,有機(jī)高分子熱釋電薄膜材料由于其相對其它熱釋電材料(如陶瓷)易合成,成膜性能好、性能優(yōu)良,成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,但高分子材料的本征特性如熱穩(wěn)定性差等也限制了其應(yīng)用。將有機(jī)和無機(jī)材料復(fù)合制備熱釋電材料近年來也有報(bào)道,其研究工作大多數(shù)是將無機(jī)功能顆粒復(fù)合在聚合物基體之中,雖然取得較好的效果,但工藝的重復(fù)性和結(jié)構(gòu)的可控性較差。本論文旨在通過選擇功能有機(jī)分子作為生色團(tuán),選擇無機(jī)氧化物作為無機(jī)載體,采用溶膠-凝膠和原位極化的方法

3、,制備有機(jī)-無機(jī)雜化熱釋電薄膜材料,其設(shè)計(jì)思想是將具有電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子與無機(jī)氧化物的三維網(wǎng)絡(luò)通過化學(xué)鍵鍵連的方式結(jié)合在一起,并通過無機(jī)氧化物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將有機(jī)偶極子的取向排列“凍結(jié)”下來,提高材料的熱釋電性能和經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性。另外采用含氟單體制備具有新型結(jié)構(gòu)的含氟聚合物,探討其構(gòu)效關(guān)系,為進(jìn)一步提高薄膜材料的靈敏度、集成度提供新的思路和依據(jù)。主要研究工作包括以下幾方面： 1.簡要介紹了熱釋電材料有關(guān)知識,從材料設(shè)計(jì)、制備等

4、方面綜述了近幾年來熱釋電材料尤其是有機(jī)熱釋電薄膜材料的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上提出了本論文的設(shè)計(jì)思想和研究內(nèi)容。 2.通過理論計(jì)算篩選出了5個(gè)具有較高偶極矩μ值的染料分子和4個(gè)實(shí)驗(yàn)室制備的以咪唑、噻唑環(huán)為母體的含推-拉電子基團(tuán)的有機(jī)偶極分子作為功能性有機(jī)生色團(tuán),將其與有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng),合成了9個(gè)含有上述功能有機(jī)分子的硅氧烷化合物,并對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了測試和表征。 3.選擇多功能基團(tuán)的醇鹽Si(OC2H5)4、Ti(OC4

5、H9)4、M*(OC2H5)5(M*=Nb,Ta)及有機(jī)硅玻璃樹脂(SGR)作為形成三維無機(jī)網(wǎng)絡(luò)的前驅(qū)體,以論文第二部分制備的有機(jī)硅氧烷為有機(jī)單體,用溶膠.凝膠法和原位升溫聚合極化法在Ag/Si(100)基片上制備了四個(gè)體系的極化雜化熱釋電薄膜。通過改變?nèi)軇?、催化劑用量、單體含量等對制備工藝進(jìn)行了探討,得到最佳的薄膜制備工藝。采用熱重分析、差熱分析、紅外光譜、原子力顯微、偏光顯微等分析手段對制備的薄膜材料的組成、微觀結(jié)構(gòu)、熱性能以及表面

6、形貌等進(jìn)行了測試和分析,結(jié)果表明所制備的雜化薄膜材料組成結(jié)構(gòu)均勻,無相分離,熱穩(wěn)定性良好。 4.采用紫外.可見吸收光譜、低頻阻抗分析和數(shù)字電荷儀對所制備的極化薄膜的取向穩(wěn)定性、介電性能及熱釋電性能進(jìn)行了測試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)制備的四類有機(jī).無機(jī)雜化薄膜材料極化取向穩(wěn)定性好,平均熱釋電系數(shù)均在10-6C/cm2·K數(shù)量級,在室溫下放置6個(gè)月其熱釋電系數(shù)仍能保持在同一數(shù)量級內(nèi),且雜化薄膜材料均具有低介電常數(shù)及低介電損耗,這對

7、熱釋電材料的電壓響應(yīng)優(yōu)值和探測度優(yōu)值的提高極為有利。 5.對不同的體系以及不同的生色團(tuán)的測試結(jié)果進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明硅鈦醇鹽與鈮鉭醇鹽作為無機(jī)前軀體制備的雜化材料均具有較好的經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性,這與醇鹽形成的無機(jī)三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)度較大相關(guān)；同一體系中生色團(tuán)的共軛程度越大,熱釋電性能越好。 6.采用溶液聚合法制備了四種含氟共聚物,通過紅外光譜、核磁等對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。用旋轉(zhuǎn)鍍膜法將其制備成聚合物薄膜,并采用熱極化法對聚合物材料進(jìn)