Kapton-Al二次表面鏡帶電粒子輻照損傷效應及機理.pdf

1、本文依據空間能譜等效代換的原則，采用空間綜合輻照設備對Kapton/Al薄膜二次表面鏡進行了空間輻照地面模擬試驗。深入研究了低能空間帶電粒子（質子和電子）單獨及綜合作用下對Kapton/Al薄膜光學性能的輻照損傷，借助于AFM、UV/Vis、FTIR-ATR、XPS和MS等分析技術重點分析了輻照損傷的微觀機理，在量子化學理論基礎上應用模擬軟件建立了輻照損傷斷鍵模型，并提出質子輻照作用下輻照損傷的化學反應機制。
　　研究結果表明，經

2、空間帶電粒子輻照后，Kapton/Al的反射性能在可見光及近紅外光區(qū)發(fā)生退化，隨著輻照劑量的增加，光譜反射系數不斷降低。單獨作用后的疊加效果要高于綜合輻照的作用效果，Kapton/Al綜合輻照作用后其光學性能表現出協同效應。輻照能量一定時，質子輻照Kapton/Al涂層的太陽吸收比變化Δαs隨輻照劑量的變化為線性函數關系，即Δαs=kΦ；電子輻照Kapton/Al涂層的太陽吸收比變化Δαs隨輻照劑量的變化為冪函數關系，即Δαs=αΦβ。

3、
　　質子單獨輻照和綜合輻照后樣品表面出現明顯的顏色變化，電子輻照劑量達到3×1015cm-2后，SEM觀測可見明顯的充放電花紋。經AFM觀測發(fā)現，輻照后Kapton/Al表面出現“指狀”（質子和綜合輻照）或“丘狀”（電子輻照）突起，導致樣品表面粗糙度增加。
　　Kapton薄膜在帶電粒子輻照后光譜透過率隨輻照劑量的增加而降低，在可見光區(qū)出現吸收峰，并且末端吸收發(fā)生紅移。吸光度的增加是由于輻照過程中有新的發(fā)色團產生，末端吸收

4、從UV到可見的紅移是由于光能隙的逐漸減小引起的。
　　質子輻照過程中酰亞胺環(huán)和醚鍵等低鍵能的鍵發(fā)生斷鍵，由電離和激發(fā)作用產生的自由基和離子碎片首先以易揮發(fā)的小分子形式相結合，進而逃逸出試樣表面，導致試樣表層氧和氮含量的顯著降低以及炭含量的相對增加；而C、O和N原子間通過新鍵相結合形成酮亞胺(C=C=N–)、異氰基(–N=C=O)和羥胺(C–O–N)等新組分；苯環(huán)在質子輻照作用下也可能受到了一定程度的破壞，生成類似石墨結構的碳化產物

5、。
　　根據飽和徑跡模型,對紅外譜圖中某些特征峰所做的定量分析表明，在質子輻照期間Kapton中的羰基、苯環(huán)、酰胺基和芳香醚等官能團都以相似的損傷截面參與了損傷層中的降解過程；隨著電子能損值的遞增，PI特征官能團的損傷截面基本上呈現出遞增的趨勢，說明聚合物Kapton的輻照損傷強烈依賴于離子電子能損效應，這一結論也與TRIM計算結果相吻合。
　　50keV電子主要造成Kapton薄膜表層C–N鍵的破壞，形成N+離子碎片，同時

6、伴隨部分醚鍵的斷裂。所形成的N+、O+和C+碎片或自由基也會形成易揮發(fā)的小分子逸出表面，造成苯環(huán)中穩(wěn)定炭含量的相對增加。70keV電子輻照后，不僅發(fā)生上述斷鍵反應，而且斷鍵產生的離子碎片與自由基的體積濃度增大，可增加分子間交聯和形成新的分子結構的可能性。隨輻照能量的提高，Kapton薄膜表面碳富集趨勢增加。
　　在量子化學基礎上，建立了Kapton的5種斷鍵模型。熱力學計算表明，5種可能的斷鍵反應模式在熱力學意義上都是易于發(fā)生的，