[发明专利]亚微米级自支撑聚酰亚胺薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和短波长科学，尤其涉及一种可应用于软X射线天文学滤光器的亚微米自支撑聚酰亚胺薄膜的制备方法。

背景技术

对于空间软X射线探测技术来说，滤光器件是其功能得以实现的重要前提保障，其中滤光膜是滤光器件中的基本组件。空间软X射线探测技术的发展，要求滤光膜在厚度尽量薄的基础上具有较宽的温度适用范围、表面平整光滑、厚度均一同时能够较大面积制备等特点。聚酰亚胺具有优良的力学性能、热稳定性、耐化学环境能力以及介电性能，是人们所知的综合性能最突出的高分子材料之一。相比于聚丙烯和聚碳酸酯等应用于软X射线光学的传统高分子材料，聚酰亚胺薄膜的抗张强度和抗弯强度分别是前两者的2～4倍和1.5～2倍。此外，全芳香体系的聚酰亚胺可以在-200℃到300℃范围内仍可保持较好的力学性能，可以很好地满足软X射线天文学的温度使用要求。聚酰亚胺还具有很高的抗辐照性能，其薄膜在吸收剂量达到5×10⁷Gy时强度仍可保持86％。因此，聚酰亚胺薄膜是软X射线遮光膜材料应用最为广泛的选材之一。

聚酰亚胺薄膜与其基底的剥离是制备自支撑软X射线遮光膜必不可少的步骤。常用的聚酰亚胺形成自支撑膜的剥离方法有背面腐蚀法和脱模剂法。背面腐蚀法通常采用氢氟酸、硝酸等试剂从背面对玻璃或者硅等材质的基片进行腐蚀获得聚酰亚胺自支撑膜。由于强酸会使得聚酰亚胺中的酰胺键水解，因此该方法可能会进一步导致聚酰亚胺的本体结构的破坏和各方面性能的下降。脱模剂是聚酰亚胺膜和基底之间生长或涂覆的一层可溶性物质，通常是无机盐或者表面活性剂类的物质。在聚酰亚胺成膜过程之后，将脱模剂溶解度即可方便快速地得到自支撑结构。但是该方法有其不足之处，脱模剂的引入本身就会增大基底的表面粗糙度，进而会影响亚微米级聚酰亚胺膜的表面粗糙度和均匀性。脱模剂对环境较为敏感，容易在聚酰亚胺内部引入缺陷，造成聚酰亚胺膜表面质量的进一步下降。另外，采用热亚胺化的聚酰亚胺要求脱模剂能够忍受300℃的高温，多数脱模剂在此温度下已经分解。这大大限制了脱模剂种类选择和应用范围。

发明内容

本发明旨在提供一种在聚酰亚胺薄膜与基片分离过程中不会破坏聚酰亚胺薄膜结构的亚微米级自支撑聚酰亚胺薄膜的制备方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明的亚微米级自支撑聚酰亚胺薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(a)在基片上形成亚微米级聚酰亚胺薄膜层；

(b)在完成步骤(a)的基片上的亚微米级聚酰亚胺薄膜层上旋涂光刻胶，并通过微纳米加工工艺形成光刻胶图形；

(c)在完成步骤(b)的基片上的聚酰亚胺薄膜层及光刻胶图形上沉积60～100纳米厚的金属种子层；

(d)从完成步骤(c)的基片上剥离剩余光刻胶；

(e)在完成步骤(d)的基片上的金属种子层上电镀金属层，形成金属框，所述金属层和金属种子层的总厚度为200～500微米；

(f)将金属框连带亚微米级聚酰亚胺薄膜层一起与基片剥离，得到亚微米级金属框支撑亚微米级聚酰亚胺薄膜；

(g)将金属框与亚微米级聚酰亚胺薄膜层分离，获得亚微米级自支撑聚酰亚胺薄膜。

可选的，步骤(a)在基片上形成亚微米级聚酰亚胺薄膜层包括以下步骤：

(a 1)制备聚酰胺酸：将对苯二胺溶解在有机溶剂中，然后加入3，3′，4，4′-联苯四甲酸二酐，在-5～0℃条件下反应6-24小时得溶液A；其中，所述对苯二胺、有机溶剂、3，3′，4，4′-联苯四甲酸二酐的重量比为1∶(70.718～71.231)∶(2.722～2.749)；

(a2)聚酰亚胺成膜：用步骤(a1)中所述的有机溶剂将溶液A的粘度稀释至300～600厘泊并用0.22或0.45的微孔过滤器过滤，然后静置到溶液中无气泡得溶液B，将溶液B旋涂于基片上并进行热亚胺化，在基片上形成亚微米级聚酰亚胺薄膜层。

可选的，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃。

可选的，所述对苯二胺、有机溶剂、3，3′，4，4′-联苯四甲酸二酐的重量比为1∶(70.984～71.231)∶(2.736～2.749)；

和/或

所述步骤(a1)中的反应时间为6小时；

和/或

所述步骤(a1)中的反应在氮气气氛中进行；

和/或

所述步骤(a1)中的基片为高抛光硅片或浮法玻璃片；

和/或

所述步骤(a2)中在基片上旋涂溶液A前对基片进行清洗；