CN111607084B - 减缓内带电效应的星用介质材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种减缓内带电效应的星用介质材料及其制备方法，在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料；其中所述纳米线占所述介质材料质量的0.5％‑5％。利用纳米线的半导体特性以及尖端小尺度几何效应，实现星用介质材料具备电导率随电场强度变化的非线性特性，既不影响介质材料性能，又达到当内带电形成的电场强度过高时，介质电导率上升，释放累积电荷的目的，从而减缓介质材料内带电效应。

Description

减缓内带电效应的星用介质材料及其制备方法

技术领域

本发明一般涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种减缓内带电效应的星用介质材料及其制备方法。

背景技术

在空间环境中，航天器面临各种不同的辐射环境，比如地磁辐射、太阳高能粒子、宇宙射线等。这些高能电子会穿透航天器介质表层结构、机箱及其他仪器设备外壳，嵌入绝缘电缆、电路板等绝缘介质中，导致电荷在绝缘介质中沉积。由于电介质的电阻率较高，从而导致电荷在其中不断累积并建立内部电场。当内电场强度超过电介质的击穿强度时，会引发电弧或者放电现象，这种现象称为内带电效应。大量的在轨实验和理论分析表明，航天器内带电效应会对航天器造成严重的损害。缓解航天器内带电效应危害，一个有效途径就是形成一定的导电通路，将积累电荷释放出去，从而降低内带电过程中的自建电场。

材料的电导率对确定击穿的可能性至关重要。内带电的实际威胁是由电荷累积产生的电场引发静电放电造成的，电荷积累取决于保留沉积电荷的能力。以地球同步轨道上的内带电电流密度在1pA/cm²的量级，因此10¹²Ω·cm量级的电阻率便可及时将电荷导走。不过，现代航天器上采用的介质材料如聚四氟乙烯和聚酰亚胺，FR4电路板和涂覆材料等均具有足够高的电阻率并可能引发问题。如果内部电荷沉积速率超过泄漏速率，这些绝缘性能良好的电介质材料能够积累足够多的电荷，从而引发放电可能。例如25μm厚的聚酰亚胺膜，当沉积电荷产生的电压达到7000V就会引起聚酰亚胺膜击穿。

为了减缓介质材料的内带电效应，可以使用具有非线性电导特性的介质材料，该材料在低电场强度下具有高绝缘性能，可以保证正常使用。在发生内带电形成高点场强度下，电导率上升，可以释放掉危险的累积静电荷，减缓内带电发生放电的风险。非线性电导特性的介质材料一般采用颗粒掺杂的方法，在介质内掺杂金属氧化物颗粒实现，掺杂量一般要到10％以上才会有效果。对于星内典型的介质材料聚酰亚胺膜，其有着特殊的力学、热学、光学性能，大量掺杂其他材料颗粒，容易造成聚酰亚胺膜脆化等其他固有性能改变。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种减缓星用介质材料内带电效应的方法。在制备星用介质材料时，添加氧化锌纳米线，既不影响聚酰亚胺膜的性能，又达到当内带电形成的电场强度过高时，介质电导率上升，释放累积电荷的目的，从而减缓星内介质材料内带电效应。

第一方面，本发明提供一种减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特殊之处在于，包括：

在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料；

其中，所述纳米线占所述介质材料质量的0.5％-5％。在一个实施例中，所述介质材料构成为膜结构，所述纳米线的直径小于100nm，所述纳米线长度为所述介质材料厚度的1-2倍。在一个实施例中，所述介质材料包括聚酰亚胺复合膜，所述纳米线包括氧化锌纳米线；

在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料包括：合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰亚胺前驱体溶液；

将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液涂覆在基片上并进行加热处理，形成聚酰亚胺复合膜；

将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离。

在一个实施例中，合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰胺前驱体溶液的步骤包括：

制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液；

将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液；

在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀。

在一个实施例中，制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液的步骤包括：

将所述氧化锌纳米线利用乙醇或丙酮浸泡30分钟，过滤取出并自然晾干；

取0.04g氧化锌纳米线加入到20ml二甲基乙酰胺中，在常温下超声分散20-30min。

在一个实施例中，将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液的步骤包括：

称取1g二氨基二苯醚，加入到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中；

在常温下超声分散10min，以至于所述二氨基二苯醚充分分散。

在一个实施例中，在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀的步骤包括：

取1.66g二甲酮四羧酸二酐，在氩气气氛下分批加入到所述混合液中，在氩气气氛中不断搅拌24h。

在一个实施例中，将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液涂覆在基片上并进行加热处理，形成聚酰亚胺复合膜的步骤包括：

将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液滴加至基片上，并用刮刀刮平；

在结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片在电热鼓风干燥箱中在40℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃分别处理1h，并转移到马弗炉中在300℃处理lh，冷却至室温。

在一个实施例中，将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离的步骤包括：

将结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片放入去离子水中浸泡，在所述聚酰亚按复合膜自然脱落后，取出晾干。

第二方面，本发明还提供一种减缓内带电效应的星用介质材料，其特殊之处在于，通过上面所述的制备方法制成。

根据本申请实施例提供的技术方案，在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线；固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料；其中所述氧化锌纳米线占所述介质材料质量的0.5％-5％。。利用纳米线的半导体特性以及尖端小尺度几何效应，实现星用介质材料具备电导率随电场强度变化的非线性特性，既不影响介质材料性能，又达到当内带电形成的电场强度过高时，介质电导率上升，释放累积电荷的目的，从而减缓介质材料内带电效应。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是介质材料包括聚酰亚胺复合膜，纳米线包括氧化锌纳米线时，本发明实施例减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例不同氧化锌纳米线含量对聚酰亚胺复合膜电阻率与电场强度的关系图；

图3是本发明实施例合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰亚胺前驱体溶液步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如背景技术中提到的，为了减缓介质材料的内带电效应，可以使用具有非线性电导特性的介质材料，该材料在低电场强度下具有高绝缘性能，可以保证正常使用。在发生内带电形成高点场强度下，电导率上升，可以释放掉危险的累积静电荷，减缓内带电发生放电的风险。非线性电导特性的介质材料一般采用颗粒掺杂的方法，在介质内掺杂金属氧化物颗粒实现，掺杂量一般要到10％以上才会有效果。对于星内典型的介质材料聚酰亚胺膜，其有着特殊的力学、热学、光学性能，大量掺杂其他材料颗粒，容易造成聚酰亚胺膜脆化等其他固有性能改变。

因此，如何提供一种星用介质材料，既不影响聚酰亚胺膜性能，又能减缓星内介质材料的内带电效应将成为本申请的改进方向。针对上述目的，本申请提供一种减缓内带电效应的星用介质材料及其制备方法。

本发明的基本构思是在制备星用聚酰亚胺膜过程中，加入氧化锌纳米线，利用氧化锌纳米线的半导体特性以及尖端小尺度几何效应，实现具备电导率随电场强度变化的非线性介质材料，从而减缓介质材料内带电效应。

基于上述构思，本实施例提供一种减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，包括：

在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线；

固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料；

其中，所述纳米线占所述介质材料质量的0.5％-5％。所述介质材料构成为膜结构，所述纳米线的直径小于100nm，所述纳米线长度为所述介质材料厚度的1-2倍。

在本实施例中，所述介质材料包括聚酰亚胺复合膜，所述纳米线包括氧化锌纳米线。

如图1所示，其示出了在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料的具体过程。

在步骤10中，合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰亚胺前驱体溶液；

在步骤20中，将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液涂覆在基片上并进行加热处理，形成聚酰亚胺复合膜；

在步骤30中，将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离。

其中，所述氧化锌纳米线占所述聚酰亚胺复合膜质量的0.5％-5％。

利用氧化锌纳米线的半导体特性以及尖端小尺度几何效应，实现星用介质材料具备电导率随电场强度变化的非线性特性，既不影响聚酰亚胺膜性能，又达到当内带电形成的电场强度过高时，介质电导率上升，释放累积电荷的目的，从而减缓介质材料内带电效应。

图2是氧化锌纳米线不同添加量下，得到的聚酰亚胺复合膜电阻率与电场强度的关系。

可以看出，在氧化锌纳米线占所述聚酰亚胺复合膜质量等于0.1％时，可见当电场强度上升后电阻率基本不变，但在氧化锌纳米线占所述聚酰亚胺复合膜质量处于0.5％以上时，聚酰亚胺复合膜电阻率下降至10 ¹⁰Ωcm量级，低于内带电减缓要求10¹²Ω·cm量级，可以有效导走聚酰亚胺上的累积电荷。

聚酰胺酸作为聚酰亚胺前驱体溶液，可以通过公知的方法使四羧酸成分与二胺成分反应而得到。例如，使四羧酸成分和二胺成分在制备聚酰亚胺时通常使用的有机溶剂中聚合而制备，但需准备聚酰亚胺胺化前溶液的溶剂时，将氧化锌纳米线加入溶剂当中，并利用超声分散20-30分钟。

如图3所示，在本实施例中，所述的步骤10包括下面几个子步骤。

在步骤101中，制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液；

在步骤102中，将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液；

在步骤103中，在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀。

N,N-二甲基乙酰胺并不是唯一的有机溶剂，也可以使用公知的溶剂，例如：N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基乙酰胺等。这些有机溶剂即可以单独使用，也可以两种以上混合使用。

具体地，制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液的子步骤可以包括：

将所述氧化锌纳米线利用乙醇或丙酮浸泡30分钟，过滤取出并自然晾干；

取0.04g氧化锌纳米线加入到20ml二甲基乙酰胺中，在常温下超声分散20-30min。

具体地，将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液的子步骤可以包括：

称取1g二氨基二苯醚，加入到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中；

在常温下超声分散10min，以至于所述二氨基二苯醚充分分散。

具体地，在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀的子步骤可以包括：

取1.66g二甲酮四羧酸二酐，在氩气气氛下分批加入到所述混合液中，在氩气气氛中不断搅拌24h。

在本实施例中，所述的步骤20包括：

将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液滴加至基片上，并用刮刀刮平；

在结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片在电热鼓风干燥箱中在40℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃分别处理1h，并转移到马弗炉中在300℃处理lh，冷却至室温。

需要说明的是，聚酰亚胺不仅仅可以通过完成酰亚胺化，还可以通过化学酰亚胺化使聚酰亚胺完成酰亚胺化。通过热酰亚胺化使聚酰亚胺完成酰亚胺化时，可以根据需要，向聚酰亚胺酸溶液中加入酰亚胺化催化剂、含磷有机化合物、无机微粒、有机微粒等。

在本实施例中，将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离的步骤包括：

将结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片放入去离子水中浸泡，在所述聚酰亚按复合膜自然脱落后，取出晾干。

在这里需要强调的是，本发明提出的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法也可以用于其他星用介质材料，例如：聚四氟乙烯材料。

此外，本发明还提供一种减缓内带电效应的星用介质材料，通过上面所述的制备方法制成。由于在溶液中添加了氧化锌纳米线，因此胺化后得到的聚酰亚胺膜中就掺杂了氧化锌纳米线。氧化锌纳米线改变了聚酰亚胺膜的电阻特性，实现具有非线性效应的聚酰亚胺复合膜。

为便于对本发明的理解，下面结合聚酰亚胺膜的常规制备过程，以及上面对减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法的描述，对本发明进一步举例说明。

前面所提到的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法的具体实施过程包括：

1)选择直径100nm以下，长度为聚酰亚胺膜厚度的1-2倍的氧化锌纳米线。

2)将氧化锌纳米线利用乙醇或丙酮浸泡30分钟，过滤取出，自然晾干备用。

3)取0.04g氧化锌加入到20ml二甲基乙酰胺中，在常温下超声分散20min，形成均匀的二甲基乙酰胺悬浮液。

4)称取1g二氨基二苯醚，加入到二甲基乙酰胺悬浮液中。在常温下超声分散10min，使二氨基二苯醚充分分散。

5)取1.66g二甲酮四羧酸二酐，在氩气气氛下分批加入到上述混合液中，在氩气气氛中不断搅拌24h，形成氧化锌纳米线/聚酰亚胺胺化高粘度溶液。

6)将得到的氧化锌纳米线/聚酰亚胺胺化高粘度液体滴加到玻璃基片上，并用刮刀刮平，在电热鼓风干燥箱进行热亚胺化。分别在40℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃各处理1h，之后转移到马弗炉中在300℃处理lh。

7)冷却后将贴附在玻璃基片上的放入去离子水中浸泡，形成的聚酰亚按膜自然脱落下，取出晾干。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，包括：

在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料；

其中，所述纳米线占所述介质材料质量的0.5%-5%；

所述介质材料构成为膜结构，所述纳米线的直径小于100nm，所述纳米线长度为所述介质材料厚度的1-2倍。

2.根据权利要求1所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，所述介质材料包括聚酰亚胺复合膜，所述纳米线包括氧化锌纳米线;

在介质材料固化前混合液中均匀混入纳米线，固化含有纳米线的介质材料固化前混合液得到固态介质材料包括：

合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰亚胺前驱体溶液；

将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液涂覆在基片上并进行加热处理，形成聚酰亚胺复合膜；

将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离。

3.根据权利要求2所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，合成含有氧化锌纳米线的高粘度聚酰胺前驱体溶液的步骤包括：

制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液；

将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液；

在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀。

4.根据权利要求3所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，制备具有氧化锌纳米线的二甲基乙酰胺悬浮液的步骤包括：

将所述氧化锌纳米线利用乙醇或丙酮浸泡30分钟，过滤取出并自然晾干；

取0.04g氧化锌纳米线加入到20ml二甲基乙酰胺中，在常温下超声分散20-30 min。

5.根据权利要求3所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，将二氨基二苯醚充分分散到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中，形成混合液的步骤包括：

称取1g二氨基二苯醚，加入到所述二甲基乙酰胺溶剂悬浮液中；

在常温下超声分散10min，以至于所述二氨基二苯醚充分分散。

6.根据权利要求3所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，在氩气气氛下将二甲酮四羧酸二酐分批加入到所述混合液中，搅拌均匀的步骤包括：

取1.66g 二甲酮四羧酸二酐，在氩气气氛下分批加入到所述混合液中，在氩气气氛中不断搅拌24h。

7.根据权利要求2所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液涂覆在基片上并进行加热处理，形成聚酰亚胺复合膜的步骤包括：

将所述高粘度聚酰亚胺前驱体溶液滴加至基片上，并用刮刀刮平；

在结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片在电热鼓风干燥箱中在40℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃分别处理1h，并转移到马弗炉中在300℃处理lh，冷却至室温。

8.根据权利要求2所述的减缓内带电效应的星用介质材料的制备方法，其特征在于，将所述聚酰亚胺复合膜从所述基片上剥离的步骤包括：

将结合所述聚酰亚胺复合膜的所述基片放入去离子水中浸泡，在所述聚酰亚按复合膜自然脱落后，取出晾干。

9.一种减缓内带电效应的星用介质材料，其特征在于，通过权利要求1至8之一所述的制备方法制成。

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