CN110194842B - 一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,涉及材料改性技术领域。本发明的目的是要解决传统聚合物材料电阻率高、适用范围窄以及表面沉积电极材料柔性差、电阻率不可调节且与基体兼容性不好等问题。方法:一、在真空环境下,采用离子对聚合物材料进行辐照,得到辐照后的聚合物材料;二、对辐照后的聚合物材料进行激光退火处理或闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料。本发明可获得一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法。
Description
技术领域
本发明涉及材料改性技术领域。
背景技术
聚合物一般指高分子化合物,相对分子质量为数千甚至数百万,主要由分子量很高的大分子链或大分子网络连接结构组成。在使用性能方面,聚合物因其自身分子量较大,一般都以固体或者凝胶形式存在,具有优良的机械性能,并且其密度较低;聚合物材料分子链长度较长,分子链的直径远小于其长度,因此一般具有高弹性以及高可塑性,兼具优良的耐腐蚀性能和耐辐射性能,现广泛应用于电子信息材料及航天器材料的柔性基底和包装材料等。但聚合物材料良好的介电性能使得其在各领域的应用存在局限。聚合物材料一般具有高的电阻率,通常是绝缘材料。对于在聚合物电容器和电子材料应用中,常常需要在其表面沉积金属或导电镀层以提高表面电导率,但是这种镀层通常柔性较差,与基体之间热膨胀系数差异很大、力学性能差异较大,极易引起脱层失效,在储存、运输和安装过程中也会出现裂纹、脱层等问题。因此,在聚合物表面形成具有低电阻率、柔性和与聚合物基体兼容性好的表面导电层,在电子器件和航空航天等领域具有重要的应用潜力和需求。在航天领域常用的聚酰亚胺材料,其电阻率可高达1015Ohm·cm~1017Ohm·cm量级,常常沉积锗、镀铝作为热控机器表面导电层,这些均因表面导电层与基体在结构、力学性能、热性能的巨大差异,而存在脱层、不能折叠等诸多问题,大大降低了其在电子器件领域中的应用。
目前常用离子束辐照的方法改善聚合物材料的光学、电学性能,离子辐照后能够明显观察到材料电阻率降低,这主要是由于聚合物材料在受到重离子辐照后,其损伤区域内产生了大量的自由基,并出现类石墨化结构,其表面结构随着离子注量的升高由离域化状态向局域化状态转变,故而载流子浓度升高,在宏观上表现为电阻率降低,载流子输运性能提高。但通常当离子的能量、注量增加到一定程度时,电阻率变化开始缓慢且趋于饱和,此时其电阻率值还不足以满足电学性能需求,并且电阻率变化的同时材料内部载流子特性变化未作控制。
发明内容
本发明的目的是要解决传统聚合物材料电阻率高、适用范围窄以及表面沉积电极材料柔性差、电阻率不可调节且与基体兼容性不好等问题,而提供一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法。
一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用离子对聚合物材料进行辐照,得到辐照后的聚合物材料,辐照通量为1×108cm-2·s-1~1×1016cm-2·s-1,离子注量为1×1011cm-2~2×1019cm-2;
二、对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理或闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料。
本发明的有益效果:
本发明一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,主要包括以下步骤:(1)对聚合物材料进行离子辐照,初步降低其电阻率;(2)利用闪光灯退火、快速激光退火等方法,对离子辐照后的聚合物材料进行进一步改性,最后得到柔性、电阻率可调且与聚合物基体材料兼容性好的复合材料。
本发明一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,在兼顾传统聚合物材料机械性能、耐腐蚀、耐辐照性能的基础上,采用离子辐照与快速激光退火或闪光灯退火技术联用,对聚合物材料进行功能改性,解决了传统聚合物材料电阻率高、适用范围窄、以及表面沉积电极材料柔性差且与基体兼容性不好等问题,得到电阻率较低、可调且载流子行为可调的改性材料,这种电阻率可控材料具有柔性、且与聚合物基体结合牢固、兼容性好的特点,可广泛用于电子信息、电阻膜材料、变温元器件、功能包装材料和航空航天等领域,极大地拓宽了聚合物材料的应用范畴。
本发明可获得一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用离子对聚合物材料进行辐照,得到辐照后的聚合物材料,辐照通量为1×108cm-2·s-1~1×1016cm-2·s-1,离子注量为1×1011cm-2~2×1019cm-2;
二、对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理或闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料。
在离子辐照后可将原始聚合物材料的电阻率降低8~14个数量级,能够明显测试出其电学性能的变化。但随着离子束能量与注量的升高,其电阻率会出现降低缓慢甚至饱和的情况,因此进行后续的快速激光退火处理;激光的波长可由所用激光器可调节的波段进行选择;在快速激光退火过程中为使得改性面积更大,可在退火过程中移动基体材料,从而实现大面积改性或编辑改性路径,快速激光退火过程中要保证激光光源加载均匀,经此改性过程后可将聚合物材料电阻率进一步降低1~2个数量级。
在电学性能测试过程中可采用霍尔效应分析仪、四探针电运输性能测试仪或电化学工作站等仪器设备。
本实施方式的有益效果:
本实施方式一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,主要包括以下步骤:(1)对聚合物材料进行离子辐照,初步降低其电阻率;(2)利用闪光灯退火、快速激光退火等方法,对离子辐照后的聚合物材料进行进一步改性,最后得到柔性、电阻率可调且与聚合物基体材料兼容性好的复合材料。
本实施方式一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,在兼顾传统聚合物材料机械性能、耐腐蚀、耐辐照性能的基础上,采用离子辐照与快速激光退火或闪光灯退火技术联用,对聚合物材料进行功能改性,解决了传统聚合物材料电阻率高、适用范围窄、以及表面沉积电极材料柔性差且与基体兼容性不好等问题,得到电阻率较低、可调且载流子行为可调的改性材料,这种电阻率可控材料具有柔性、且与聚合物基体结合牢固、兼容性好的特点,可广泛用于电子信息、电阻膜材料、变温元器件、功能包装材料和航空航天等领域,极大地拓宽了聚合物材料的应用范畴。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤一中所述的聚合物材料为聚酰亚胺、聚酯、聚对二甲苯、聚乙烯或聚苯乙烯。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同点是:步骤一中所述的离子为N+、Ar+、Si+、Au+、H+或He+。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是:步骤二中所述的激光退火处理的步骤为:采用波长为0.1μm~10.6μm、功率为0.05J/cm2~0.2J/cm2的激光光源对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理,得到改性后的聚合物材料,激光加载时间为10ns~200ns;
步骤二中所述的闪光灯退火处理的步骤为:采用能量密度为0.05J/cm2~0.5J/cm2的闪光灯对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料,加载时间为10ns~300ns。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是:所述的N+的能量为100keV~6MeV。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是:所述的Ar+的能量为100keV~6MeV。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是:所述的Si+的能量为100keV~6MeV。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是:所述的Au+的能量为100keV~6MeV。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是:所述的H+的能量为10keV~150keV。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是:所述的He+的能量为10keV~200keV。
其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用能量为140keV的Ar+对聚酰亚胺进行辐照,得到辐照后的聚酰亚胺,辐照通量为1×1012cm-2·s-1,离子注量为2×1016cm-2;辐照完成后可从辐照后的聚酰亚胺的表面直观地观察到其光学透过率降低,并且其表面出现类金属光泽。采用霍尔效应测试系统对辐照后的聚酰亚胺的电学性能进行测试,其电阻率为1.184×104Ohm·cm,载流子浓度为8.108×1010/cm3,载流子迁移率为6.503×103cm2/Vs。
二、采用波长为308nm、功率为0.05J/cm2和束斑尺寸为5mm×5mm的紫外激光光源对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理,得到改性后的聚合物材料,激光加载时间为20ns~50ns。加载结束后对改性后的聚合物材料的电学性能进行测试,其电阻率为3.109×102Ohm·cm,载流子浓度为3.492×1013/cm3,载流子迁移率为5.750×102cm2/Vs;
辐照通量和离子注量可根据离子注入机的参数调整能力和电阻要求范围进行调整,离子能量可根据加速器的参数调整能力和电阻要求范围进行调整。
实施例二:一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用能量为140keV的N+对聚酰亚胺进行辐照,得到辐照后的聚酰亚胺,辐照通量为1×1012cm-2·s-1,离子注量为2×1016cm-2;辐照完成后可从辐照后的聚酰亚胺的表面直观地观察到其光学透过率降低,并且其表面出现类金属光泽。采用霍尔效应测试系统对辐照后的聚酰亚胺的电学性能进行测试,其电阻率为2.619×102Ohm·cm,载流子浓度为1.861×1013/cm3,载流子迁移率为1.281×103cm2/Vs。
二、采用波长为308nm、功率为0.1J/cm2和束斑尺寸为5mm×5mm的紫外激光光源对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理,得到改性后的聚合物材料,激光加载时间为20ns~50ns。加载结束后对改性后的聚合物材料的电学性能进行测试,其电阻率为1.737Ohm·cm,载流子浓度为4.049×1019/cm3,载流子迁移率为8.876×10-2cm2/Vs;、辐照通量和离子注量可根据离子注入机的参数调整能力和电阻要求范围进行调整,离子能量可根据加速器的参数调整能力和电阻要求范围进行调整。
实施例三:一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用能量为4.5MeV的Si+对聚酰亚胺进行辐照,得到辐照后的聚酰亚胺,辐照通量为1×1012cm-2·s-1,离子注量为1×1013cm-2;辐照完成后可从辐照后的聚酰亚胺的表面直观地观察到其光学透过率降低,并且其表面出现类金属光泽。采用霍尔效应测试系统对辐照后的聚酰亚胺的电学性能进行测试,其电阻率为8.297×106Ohm·cm,载流子浓度为1.395×1011/cm3,载流子迁移率为5.394cm2/Vs。
二、采用波长为308nm、功率为0.05J/cm2和束斑尺寸为5mm×5mm的紫外激光光源对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理,得到改性后的聚合物材料,激光加载时间为20ns~50ns。加载结束后对改性后的聚合物材料的电学性能进行测试,其电阻率为2.572×106Ohm·cm,载流子浓度为4.724×109/cm3,载流子迁移率为5.138×102cm2/Vs;
辐照通量和离子注量可根据离子注入机的参数调整能力和电阻要求范围进行调整,离子能量可根据加速器的参数调整能力和电阻要求范围进行调整。
表1为采用不同种类离子对聚酰亚胺进行辐照后再进行快速激光退火处理后的电学性能参数;
表1
Claims (7)
1.一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于该方法按以下步骤完成:
一、在真空环境下,采用离子对聚合物材料进行辐照,得到辐照后的聚合物材料,辐照通量为1×108cm-2·s-1~1×1016cm-2·s-1,离子注量为1×1011cm-2~2×1019cm-2;所述的聚合物材料为聚酰亚胺、聚酯、聚对二甲苯、聚乙烯或聚苯乙烯,所述的离子为N+、Ar+、Si+、Au+、H+或He+;
二、对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理或闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料;所述的激光退火处理的步骤为:采用波长为0.1μm~10.6μm、功率为0.05J/cm2~0.2J/cm2的激光光源对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行激光退火处理,得到改性后的聚合物材料,激光加载时间为10ns~200ns;
所述的闪光灯退火处理的步骤为:采用能量密度为0.05J/cm2~0.5J/cm2的闪光灯对步骤一中得到的辐照后的聚合物材料进行闪光灯退火处理,得到改性后的聚合物材料,加载时间为10ns~300ns。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的N+的能量为100keV~6MeV。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的Ar+的能量为100keV~6MeV。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的Si+的能量为100keV~6MeV。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的Au+的能量为100keV~6MeV。
6.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的H+的能量为10keV~150keV。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物绝缘材料表面原位制备柔性电阻的方法,其特征在于所述的He+的能量为10keV~200keV。
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