聚合物/氧化铝薄膜抗氧原子腐蚀机理研究

Spacecraft in low Earth orbit are subject to high energy gas-surface collisions equivalent to oxygen-atoms. Kapton, the currently used structural materials on the surface are particularly susceptible to oxygen-atom attack, which may promote large defect density and weaken the adhesion with the substrate. Therefore, steps must be taken to protect spacecraft surfaces that operate in low Earth orbit. In this project, poly-silsesquioxanes based polymer (POSS) is introduced to replace Kapton as surface materials. The chemical groups such as Hydroxyl groups can improve the adhesion between the substrate and surface films. Thin films of homogeneous and defect-free Al2O3 are grown on POSS surface using atomic layer deposition (ALD) technique. Deposition mechanics on the polyimide substrates of ALD technique will be illustrated through the research on mechanical properties and ALD kinetics. The properties of the anti-corrosion coating will be improved by modifying the ALD deposition process, The development of new materials on spacecraft surface and the application of ALD technique on space industries will be promoted.

飞行器低空飞行时，其表面的Kapton聚酰亚胺涂层缺陷密度大，与衬底的粘附力弱，易被氧原子腐蚀。本课题采用聚乙基硅倍半环丙烷基材料（POSS）为衬底，利用POSS表面的羟基等化学基团提高衬底与涂层的粘结力；采用ALD技术在POSS表面沉积氧化铝，获得均匀、无缺陷的POSS/氧化铝防腐薄膜。通过衬底与涂层的力学性能等研究探明聚合物/无机物多层膜结构与抗氧原子腐蚀特性之间的关联；通过ALD反应动力学研究探明ALD技术在聚合物表面沉积无机薄膜的理论机制，实现防腐涂层的微观结构-工艺-性能的一体化，为飞行器表面新材料的开发和ALD技术在航空航天等领域的应用奠定基础。

有序介孔氧化硅材料由于粒径均匀和高的比表面积而被作为极有应用价值的催化剂载体和和靶向治疗的药物输运载体。采用介孔氧化硅SBA-15作为生物相容性载体，实现靶向治疗的瓶颈在于介孔氧化硅孔径的有效调控和孔壁的功能化问题。原子层沉积技术（ALD）是目前唯一的一种能对纳米颗粒表面进行化学修饰而对颗粒分布无明显影响的方法。.本项目通过调整ALD实验工艺包括循环数、反应温度、前驱体暴露时间以及清扫时间等对氧化硅介孔材料进行改性和修饰，得出了采用ALD 工艺调控介孔氧化硅孔径结构的方法；将ALD修饰后的SBA15与化学法改性的SBA-15同时进行药物负载和输运研究，发现ALD改性的介孔氧化硅药物负载率高于SBA-15和经过功能化后的SBA-15，ALD修饰后材料的IBU释放速率低于纯SBA15，说明窄孔口宽孔道结构有利于药物的负载和释放。具体结论如下：.1).前驱体的清扫时间短有利于缩小孔口尺寸，通过严格的时间和工艺控制，有可能缩小孔口尺寸，得到孔口窄孔道宽的结构。但是工艺控制不当孔口容易被封堵。.2).通过调整前驱体的暴露时间，利用前驱体在孔道内的扩散和沉积速率可以得到窄孔口宽孔道的介孔结构，同时保持介孔结构较高的表面积和孔体积。.3).利用温度对前驱体的反应动力学、表面覆盖率，生长速率和扩散速率的影响，合理控制反应温度，可以减少孔体积和表面积随ALD反应的大幅降低。.4).循环数增加，表面积和孔体积相对于SBA-15有较大的降低。当ALD的反应循环数在5以内时，孔径的降低与ALD的循环数不存在线性关系；一旦连续薄膜形成，ALD循环数和薄膜厚度 之间就存在一个线性关系。 .5).ALD修饰的SBA15的IBU药物负载率高于纯SBA15和APTEs化学修饰的SBA15；ALD修饰后材料的IBU释放速率低于纯SBA15，说明窄孔口宽孔道结构有利于药物的负载和释放。