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有机红外热探测材料

牛小玲  
【摘要】:红外热释电探测器是利用材料的热释电效应探测红外辐射的器件,具有室温工作、广谱响应、不需偏压、功耗小、便携性好等优点。在热释电材料中,聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物是目前压电、热释电性能最好的有机材料。但在PVDF的四个结晶相中,具有最大自发极化的β相不能自然形成,限制了其应用范围。如何得到β相的PVDF成为人们研究的热点之一。另外,热释电探测器属于电学读出系统,存在需要复杂的电信号转换技术的支撑及灵敏度低的不足。因此,对于非电读出热探测器的研制显得极为迫切和必要。本论文以有机红外热探测材料为中心,着重对聚合物热释电材料—PVDF和非电读出机制的红外探测材料—液晶材料的热光性能进行了研究。 采用溶液旋涂法制备了PVDF薄膜,通过改变热处理条件、溶剂的种类、极化电场,研究以上因素对PVDF结晶行为的影响。结果发现:缓慢冷却后的PVDF晶型以α相为主;冰水淬冷处理对PVDF薄膜β相的形成有利。60℃得到一定含量的β相PVDF,150℃处理主要得到了α相PVDF,而120℃热处理得到的主要为β相PVDF。以N,,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂制备的PVDF尊膜,比以二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂所得PVDF薄膜的β相含量高。通过对极化前后PVDF薄膜的X-衍射(XRD)图谱分析,发现极化处理有利于PVDF的β相含量的提高。通过对不同热处理温度和极化后的PVDF薄膜的介电常数进行测试,发现极化后的PVDF薄膜的介电常数最高,其次是120℃热处理所得PVDF薄膜,介电常数较小是60℃和150℃热处理所得PVDF薄膜,说明经极化处理的PVDF薄膜和120℃处理36h,冰水淬冷的PVDF薄膜的极性较强,β相含量较高,进一步证实了IR和XRD的分析结果。 PVDF的改性研究,一是采用高能紫外光辐照对PVDF进行改性。二是采用PMMA与PVDF共混改性的研究。结果发现:辐射照度的大小是影响PVDF晶型的主要因素,辐射时间对晶型改变的影响不明显。发现20 mw/cm2的照度处理几乎对样晶未产生任何影响。经照度为40、60 mw/cm2辐射后的PVDF,β相含量明显增加,而当照度达到80 mw/cm2后,所得PVDF以α相为主。即紫外辐射处理时照度为40、60 mw/cm2的辐射照度对PVDF的β相含量提高有利。PVDF与PMMA的共混可以提高PVDF中p相的含量,当PVDF/PMMA=70/30时,共混物中PVDF的β相含量较高,结晶度较大。以上改性方法的优点为设备简单,原料廉价,制备方便。为提高PVDF的铁电性能提供了新的研究方法。 对在铁电液晶制备方面起重要作用的手性化合物S811的热力学、电学性能进行了研究。结果发现:S811的热释电潜中,在其相变温度附近出现了较强的热释电电流峰。同样,在S811的介电温谱中,在相变点附近出现了介电常数的突跃。这符合电介质发生相变或其他结构的微观上的变化时,介电常数将会出现异常的理论。S811的介电损牦值较小。另外,S811冷却过程中,在其相变前后,出现了双电滞回线,证明它是类似于反铁电体的材料。与无机热释电材料相比,虽然S811热释电系数P不是很大,但是其介电常数(ε)及介电损耗(tan6)均较小,导致其优值因子Fv、Fd值比较大,具有热释电探测应用的潜力。 为了研制光学读出的红外探测器,研究了液晶小分子的折射率-温度变化关系。另外,为了改善液晶的成膜性能,采用热引发法,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和液晶材料(5CB)为主要原料,制备了聚合物与液晶不同比例的聚合物分散液晶(PDLC)和聚合物网络液晶(PNLC)薄膜,并对它们的结构、热光、电光效应进行了研究。结果表明:5CB、HHV液晶的折射率是温度的灵敏函数。通过DSC、POM分析发现液晶含量为30%的PDLC薄膜的分散性较好。利用椭偏仪建模分析得出30%的PDLC薄膜的热光系数较大,PDLC薄膜的电光性能测试结果发现该薄膜还具有较强的电光效应。PNLC薄膜的热光性能不及液晶小分子。当MMA含量为7%时所制备的PNLC薄膜的电光性能较佳。 以液晶的旋光效应为理论基础,设计了一种非电读出的红外热成像光学系统。该系统与电学读出红外探测系统相比,具有设备小、成像方式简单、精度高等优点。针对该系统的研制,着重研究了胆甾液晶和扭曲向列相液晶的旋光度—温度变化的关系,并设计了一种旋光度—温度关系测量的光学系统。结果发现:这两种液晶的旋光度随温度呈线性变化,旋光度—温度变化率为2 Lux/℃左右。通过CCD形象化地证明了液晶旋光度随温度的灵敏变化的关系。另外,通过微囊化技术对液晶进行微囊化处理,改善其成膜性。在微囊处理中温度、pH值等因素对液晶的微囊化影响很大。以上有关液晶热光效应的研究,为其在非电读出红外探测器方面的应用提供了实验基础。


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