纳米杂化薄膜微结构分子模拟与表征及电性能

本文采用X射线衍射和小角X射线散射分析、扫描电镜、透射电镜分析及材料结构与性能模拟软件等方法，研究溶胶-凝胶方法制备无机纳米颗粒杂化聚酰亚胺薄膜和Dupont 100CR薄膜显微结构、纳米颗粒的分布、大小、形状，以及在DC阶梯电场作用下，Dupont 100CR杂化薄膜与Dupont100 HN普通薄膜的击穿特件及击穿机理。 采用Materials Studio软件模拟PI和纳米杂化PI薄膜电子结构、几何结构及能量状态。模拟结果表明，在能量最低和几何结构优化基础上，PI／α-Al2O3体系总能量比PI／SiO2低得多，范德华能比PI／SiO2高出约十倍，PI／α-Al2O3体系比PI／SiO2体系更稳定，与实验结果相一致。 SEM和TEM观察表明，采用溶胶-凝胶方法制备的纳米杂化薄膜中含有SiO2团簇和Al2O3颗粒，SiO2团簇结构不稳定，在高能电子束照射下易分解，Al2O3颗粒结构稳定；SAXS分析表明，该薄膜的分形维数比扩散限制凝聚模型（DLA）的理论值大，团簇是由大量小颗粒构成。 SEM、TEM和XRD测试结果表明，Dupont 100CR纳米掺杂薄膜中只含有Al2O3颗粒，颗粒主要分布在聚酰亚胺有序大分子区域的边界上，在高能电子束照射下Al2O3颗粒结构稳定；薄膜分形维数接近于三维扩散限制凝聚模型（DLA）的理论值，粒子的回旋半径与实验测试结果一致。 采用DC阶梯升压方式，研究Dupont 100CR杂化薄膜和Dupont 100HN普通薄膜击穿特性，击穿属稳态热击穿类型，出现直径为200 μm的丝状孔洞。研究结果表明，两种薄膜击穿孔及周围形貌存在明显差别：100CR击穿孔边缘粗糙不平，破坏范围只在孔附近；100HN变形区域很光滑且破坏范围大，变形区为一个个突起的区域。 研究结果表明，无机纳米颗粒改变了PI薄膜基体的结构环境，起到了改善导热、提高耐电晕性、降低热损伤以及阻止电极损坏等作用。