激光与聚合物的相互作用i激光诱导聚酰亚胺表面周期性微结构制备研究

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1、激光与聚合物的相互作用(I)激光诱导聚酰亚胺表面周期性微结构制备研究摘要本文采用Nd：YAG激光器的三倍频和四倍频输出，波长为355nm和266nm的偏振紫外脉冲激光，通过扫描法和点曝光法，在聚酰亚胺薄膜表面制备了激光诱导周期性表面微结构(LIPSS)，线条的方向平行于偏振激光的电场方向。采用扫描法，能够实现大面积的条纹制各，对LIPSS的应用具有重要意义。我们详细研究了紫外激光在聚酰亚胺表面制各LIPSS的各种影响因l素。／激光通量对条纹结构的制备有着重要影响。当激光波长为266nm时，I在较窄的激光通量范围内能够得到L

2、IPSS，当激光波长为355nm时，能够在相对较宽的激光通量范围内得到LIPSS。LIPSS的周期随着激光入射角度的增加而增大，并与激光波长和聚合物材料的表观折射率有关，线条的深度与激光通量和曝光时间有关。入射角不但影响L1PSS的周期，对LIPSS的形貌也有重要影响。入射角度小于20。时得到的LIPSS线条十分规则，随着入射角的增大，线条规整性变差。LIPSS的形成从本质上说是一个光热过程。聚酰亚胺薄膜表面发生入射光与表面散射波的干涉，形成激光能量的周期性变化，并由于热效应引起温度的周期性分布。激光脉冲引起薄膜表面发生迅

3、速的加热和冷却，‘在一定数量的激光脉冲作用下，聚酰亚胺表面形成波纹状结构，微波纹对后续激光脉冲起到波导作用而加速了LIPSS的形成。随着曝光时间的增加，LIPSS的形成显示出孵化期、快速扩展期和稳定期三个阶段。由于紫外激光光子的能量接近于聚酰亚胺的主要化学键键能，采用波长266nm的激光在聚酰亚胺表面制各LIPSS的同时，容易发生光分解．和光降解反应，并在聚酰亚胺表面产生解离碎片。波长355nm的激光光子能量较低，能够在一定程度上避免这类反应的发生。采用波长355nm的紫外激光在聚酰亚胺表面能够制备出图形更加清晰的LIPS

4、S，激光通量的范围较宽，激光条件更容易控制。通过偏振反射红外分析，发现LIPSS中聚酰亚胺的分子链与条纹方向垂直取向排列。聚酰亚胺分子中的羰基在偏振激光电场的作用下，沿电场方向取向排列，而使整个分子链沿垂’直于电场的方向取向排列。薄膜的后热处理温度对聚酰亚胺的性能有重要影响，从而影响到聚酰亚胺表面LIPSS的制备。在100。C～270。C下后热处理得到四种聚酰亚胺薄膜，随着后热处理温度的提高，聚酰亚胺薄膜的相对亚胺化程度和玻璃化转变温度都明显提高，表面粗糙度增大。采用波长355nm的紫外偏振脉冲激光，在四种聚酰亚胺薄膜表面

5、成功制备了LIPSS。薄膜后热处．理温度对LIPSS的形成过程和形貌都有影响。对于后热处理温度大于150℃的薄膜，LIPSS的周期随着激光通量的增大而下降。上海交通大学博士学位论文可见激光具有相对较低的光子能量，能够避免紫外激光制备UPSS时较难避免的光降解和光分解反应的发生。本文采用掺杂和接枝的方法在聚酰亚胺中引入对532nm波长的光有吸收的偶氮苯染料，并首次采用该波长的可见偏振脉冲激光(Nd：YAG激光器的二倍频输出)，在聚合物——接枝偶氮苯侧基的聚(氨酯一酰亚胺)表面制备了LIPSS。研究了染料含量、激光通量、入射角

6、、曝光时间、脉冲宽度等因素对LIPSS制备的影响。染料的引入方式和含量对于LIPSS的形成有着重要影响，随着染料含量的增加，形成表面微结构的孵化期下降。在激光通量小于24mJ／cm2，入射角小于30。的条件下能够得到线条规则的L1PSS。通过透射红外和偏振红外分析，发现聚(氨酯．酰亚胺)中的偶氮苯染料侧基有向与条纹方向垂直的平面内取向排列的趋势，即向垂直于偏振光电场方向的平面内取向排列。厂·、／7∥7关键词：激光诱导周期性表面微结构(ⅡP酾彳聚酰亚胺，聚乓氨莆=酰_。亚胺)，分子链取向，Nd：YAG激光器、，1。7】j上海

7、交通大学博士学位论文INTERACTIoNBETWEENPOLYMERANDLASER‘(I)PREPARATIONOFPERIODICMICRoSTRUCTURESONPoLYIMH)ESURFACEINDUCEDBYPoLARIZEDLASERABSTRACTLaser—inducedperiodicsurfacestructureswereobtainedonpolyimidefilmsbyusingapolarizedUVlaser,thethirdandforthharmonicofan‘Nd：YAGlaser(

8、thewavelengthwas355nnland266nmrespectively)．Bothofpointexposureandscanningexposuremodeswereused．ThedirectionofLIPSSwasparalleltotheelectricfieldofthepol