LDPE-MWCNTs復合材料低能質子及電子輻照效應與機理.pdf

1、低能質子和電子是空間帶電粒子輻射環(huán)境的重要組成部分，會對航天用微電子器件產生嚴重的輻射損傷。聚乙烯具有優(yōu)良的空間輻射防護效果，但力學性能及熱穩(wěn)定性尚顯不足。針對航天器用微電子器件輻射防護的需要，系統(tǒng)研究低密度聚乙烯/多壁碳納米管(LDPE/MWCNTs)復合材料在低能質子和電子輻照下力學性能與熱學性能的變化特點及機理，具有重要的學術價值與工程實際意義。
　　本文通過拉伸試驗、差示掃描量熱分析及熱失重測試等方法，對低能質子和電子輻照

2、前后LDPE/MWCNTs復合材料的力學和熱學性能特點進行了表征，并重點基于同步輻射X射線小角散射(SAXS)和廣角衍射(WAXD)方法對拉伸變形與變溫過程中微觀結構的演化規(guī)律進行實時測試分析，揭示了LDPE/MWCNTs復合材料的拉伸變形行為、融化和結晶行為及輻照效應和機理，并通過試驗對LDPE/MWCNTs復合材料的質子和電子輻射防護效果進行了初步評價。
　　試驗表明，低密度聚乙烯(LDPE)經低能質子和電子輻照后，其拉伸變形

3、行為與輻照前有所不同。低能質子輻照時 LDPE的拉伸變形行為仍呈現(xiàn)出三階段變形特征，而低能電子輻照時 LDPE的拉伸變形行為呈現(xiàn)兩階段變形特征。隨輻照注量增加，拉伸強度提高，斷裂延伸率下降。低能電子輻照可使 LDPE新晶體形成受到一定程度抑制。低能質子和電子輻照導致 LDPE非晶區(qū)分子鏈交聯(lián)是 LDPE拉伸變形行為變化的主導機制。在低能質子和電子輻照條件下，多壁碳納米管(MWCNTs)既能夠產生位移效應又可能呈現(xiàn)電離效應。前者導致MWC

4、NTs產生收縮，后者表現(xiàn)為形成穩(wěn)態(tài)非成對電子。
　　LDPE/MWCNTs復合材料的拉伸變形行為與LDPE有明顯不同。隨著MWCNTs添加量由2％增至8%時，LDPE/MWCNTs復合材料的拉伸曲線均由LDPE的三階段特征變?yōu)閮呻A段，應力值顯著升高而斷裂延伸率下降。通過SAXS及WAXD分析發(fā)現(xiàn)，MWCNTs可在LDPE/MWCNTs復合材料拉伸變形過程中，阻礙 LDPE基體變形，制約原始片晶破碎、新晶形成及晶體轉動，同時引入了取

5、向強化和界面強化機制。經低能質子和電子輻照后， LDPE/2%MWCNTs復合材料的拉伸變形行為同未輻照前相比，主要表現(xiàn)為使應變強化速率顯著提高，導致拉伸強度升高而斷裂延伸率降低。隨著輻照注量和應變量增加，均使MWCNTs組元與LDPE基體的界面層畸變度增大。在拉伸變形過程中，主要強化機制涉及輻照對LDPE基體產生交聯(lián)導致的強化效應，以及輻照對MWCNTs強化效應的增強(主要是界面強化)。
　　通過SAXS和WAXD分析表明，低能

6、電子輻照可減緩LDPE融化過程中的非晶區(qū)膨脹、結晶過程中的結晶中間相形成及非晶區(qū)收縮。低能質子輻照對LDPE融化過程無影響，而對結晶過程中的結晶中間相形成和非晶區(qū)收縮可產生一定的抑制作用。MWCNTs組元能夠在融化過程中，阻礙LDPE基體非晶區(qū)分子鏈運動，抑制初始融化并在開始融化后促進融化過程，在結晶過程中促進LDPE基體結晶中間相的形成，并抑制晶體長大。低能電子輻照可減緩LDPE/MWCNTs復合材料融化過程中的非晶區(qū)膨脹、片晶初始融

7、化及融化過程，以及結晶過程中的結晶中間相形成、晶體長大及非晶區(qū)收縮。低能質子輻照對LDPE/MWCNTs復合材料的融化過程沒有明顯影響，可延緩結晶過程中結晶中間相的形成、晶體長大及非晶區(qū)收縮。通過TGA測試分析表明，低能電子及質子輻照均可使 LDPE的熱穩(wěn)定性有所提高。MWCNTs組元能夠使LDPE/MWCNTs復合材料的起始降解溫度得到明顯提高。低能質子輻照可提高LDPE/MWCNTs復合材料的熱穩(wěn)定性，而低能電子輻照則使 LDPE/