基于微纳尺度图案化电荷标记研究聚合物弛豫性质

Charge trapping and discharging phenomenon in polymers are closely related to local polymer relaxation behaviors. Charge induced relaxation is a crucial factor of dielectric loss, which will cause the break-down or aging of bulk materials. This project is focused on the charge induced relaxation effects of polymers at micro- or nanoscale. Since the charging or discharging process will accelerate the movements of polymer main chains, the dewetting phenomenon and surface viscoelasticity will be changed. Charge pattern will be fabricated and adopted as a marker to display the relaxation characteristics in charged and neutral domains, and relaxation differenc induced by trapped charge in these domains leads to selectively dewetting of thin polymer film. AFM measurements of modulus mapping and adhesion force between AFM tip and polymer surface will show the mechanical differences caused by local relaxation. This method will provide a more effective and convenient venue to directly observe the exact relaxation comparison between charged and electrically neutral areas. This study will make important contribution to illuminating the interaction between trapped charge and polymer relaxation, which will benefit the researches on dynamic behaviors of dielectric materials.

高分子聚合物材料中储存静电荷时的电荷聚集与释放现象与高分子聚合物材料的弛豫密切相关。构象与堆积弛豫是造成高分子材料发生介电损耗的关键原因，介电松弛的加剧会造成聚合物绝缘材料耐击穿、耐老化性能的降低，限制了其作为电介质材料的重要应用。本项目主要是基于原子力显微镜在微纳米尺度下研究电荷对于聚合物局域弛豫性质的影响。电荷在聚合物中的衰减和释放造成了分子链的运动，使得聚合物在一定外场作用下的局域反浸润和微尺度下的表面模量、粘弹性均发生明显变化。我们通过在聚合物表面构筑电荷图案作为标记，能够直观地对比注电区域和非注电区域的聚合物松弛性质的差异，并结合原子力显微镜定量表征微纳米尺度下由于电荷引起的松弛特性和外场的关系。我们发展的在微尺度下研究介电弛豫的方法能够解释聚合物宏观介电性能改变的机理，为提高该类电介质材料的性能提供理论基础和实验依据。

本项目通过接触印刷的方法在高分子聚合物表面制备了静电荷图案，并以此图案化电荷为标记，基于高分辨的原子力显微镜（AFM）在微纳米尺度上研究了微尺度下聚合物的弛豫性质及其玻璃化转变温度等。本项目的主要研究内容包括了以下三个方面： 1、我们首先成功地在聚合物表面制备了具有规则排列的电荷图案，并利用这些电荷图案的标记作用，研究了温度和溶剂刺激作用下电荷对于弛豫的加速作用，监测到了荷电区域和电中性区域的介电弛豫的差异，为电荷对聚合物材料性质的影响首次提供了直接的证据。2、在聚合物的弛豫过程中，链段的运动伴随着电荷的释放和衰减，因此，通过研究电荷的释放规律，可以实时监测图案化电荷在聚合物弛豫过程中的衰减规律。通过原位监测不同条件下电荷的释放行为，建立了电荷衰减和聚合物弛豫之间的对应关系，研究了聚合物薄膜的介电弛豫性质及其与玻璃化转变温度、膜厚之间的关系，并对其中的关键影响因素进行了分析。结果表明，随着膜厚的减小，聚合物薄膜的玻璃化转变温度降低。进一步，我们研究了聚合物超薄膜的Tg及其在电荷作用下发生弛豫的动力学过程，得到了聚合物超薄膜随温度和膜厚等的变化规律。当聚合物薄膜尺寸减小到10nm以下时，其玻璃化转变温度与膜厚无关。3、同时，我们利用AFM测量微纳米尺度下聚合物表面粘滞力的变化，研究了聚合物表面的力学性质的变化与弛豫之间的关系。本项目发展的这种在微纳米尺度下有效、定量研究聚合物薄膜的弛豫动力学和玻璃化转化温度（Tg）的新方法，具有非常高的灵敏度，可远在聚合物发生明显松弛之前观察到其物理性质的变化。该方法的建立能够解释聚合物宏观介电性能改变的机理，为提高该类电介质材料的性能提供理论基础和实验依据。