超刚性改性“巴基纸”材料的制备与性能研究

本项目旨在利用"巴基纸"中超强碳纳米管的增强筋结构和刚性玻璃碳的连续超硬特性，设计出由单一轻质C元素组成的自支撑超刚性改性 "巴基纸"。在已有的前期研究工作基础上，拟研究和完善玻璃碳/碳纳米管界面及微结构控制的关键难点问题，通过探索复合结构中碳纳米管的组分、分布、取向、网络结构、界面相结构与复合结构性能间的关系，揭示其内在规律；探索复合构型在外载荷作用下的载荷传递、变形、破坏行为及其与复合结构、材料基本属性的关系，建立高模量高硬度基体材料的碳纳米管增强机制，以用于指导超刚性自支撑轻质改性"巴基纸"的设计、制备和应用，为制备和应用刚性、低成本（高性价比）的改性"巴基纸"材料建立知识产权基础。研究成果涉及的改性"巴基纸"可代替制备工艺复杂、成本高的金刚石薄膜，用于高能射线窗口、x射线掩模基膜等科技领域，具有良好的经济价值和应用前景。

本项目针对集成电路工业领域x射线光刻掩模发展中金刚石薄膜基膜存在如下瓶颈：1）制备工艺、技术复杂；2）成本高；3）在保证可观x射线透过率的薄膜厚度（x射线掩模基膜用金刚石薄膜厚度一般为数微米以下）条件下，无法得到完全自支撑薄膜（需要硅基底支撑，无支撑时薄膜容易发生畸变，增加加工难度）等缺点，旨在利用超强碳纳米材料的增强筋结构和刚性玻璃碳的连续超硬特性，设计出由单一轻质C元素组成的自支撑超刚性改性玻璃碳薄膜。项目的研究从碳纳米材料的修饰处理入手，实现了碳纳米管的良好分散，经Hummers法大量制备出单一剥离、尺寸可控的氧化石墨烯片层，并利用各种还原剂有机分子来实现石墨烯在有机溶剂中的均匀分散，并将修饰碳纳米材料与前驱体材料（聚酰亚胺基体）复合来实现碳纳米材料在前驱体材料中的均匀分散，从而制备得到了力学性能大幅增强的复合薄膜前驱体材料。进一步进行高温碳化处理，得到了力学增强的碳纳米材料/玻璃碳复合薄膜。利用碳纳米材料优异的力学性能，结合玻璃碳基体薄膜的高刚性、高x射线透过率及表面平整连续等特性，得到的由全碳轻元素组成的复合薄膜。由此设计制备的超刚性轻质玻璃碳薄膜具有工艺简单、成本低、无支撑、x射线透过率高（经测试与预测分析，100 μm厚的薄膜，其x射线透过率达到90%以上）等优势，同时具有与金刚石薄膜接近的综合性能，因此，有望作为x射线掩模基膜材料得到应用。