气凝胶极高孔隙率和超大比表面积结构特点赋予其优异性能,常用在催化、过滤、储能、隔热和隔声等领域。由于其极低的密度和优异的隔热性质,在航空航天领域有良好的应用前景。本文以气凝胶在空间环境中的应用为背景,选取聚酰亚胺气凝胶材料为研究对象,利用蒙特卡洛方法系统研究了带电粒子在纳米多孔材料中的输运规律;采用纳米压痕、紫外可见光分光光度计、傅立叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱仪和电子顺磁共振分析谱仪等设备和方法,系统研究了聚酰亚胺气凝胶电子/质子辐照效应和机理。研究结果表明,电子、质子在多孔材料中输运时会随着孔隙率增加射程和半峰宽逐渐增加,能量沉积逐渐往深处移动并且分布变宽,纳孔显著放大了粒子与材料作用的岐离效应。并且带电粒子在多孔材料中输运时,其分布和能量沉积会在局部产生明显的不均匀性,具体体现在入射方向上孔洞处粒子沉积较少,骨架材料上沉积数量较多。在孔隙率相同条件下,孔径大小会对质子输运产生明显影响:孔径越大,质子射程越远,半峰宽越大。而孔径变化对电子输运分布整体分布无明显变化,但在射程单位内会出现多个峰值和波谷,峰值和波谷出现数量与孔洞半径成反比。质子和电子本身特点不同使得输运行为也存在较为明显的差异,虽然两者都会在局部区域表现出不均匀性,但质子整体分布比较集中,会出现典型的布拉格峰,而电子射程更远,分散更宽。聚酰亚胺气凝胶在电子辐照下会发生显著的放电现象,放电通道上材料发生碳化,而周围材料并未有明显变化。研究表明:内部残余气体含量越多,放电次数就越多,对材料产生损伤就越大;电子通量影响电荷累积速率和放电次数。通量越高,累积电荷速率越快,放电次数就越多;电子能量影响放电发生位置和内部电荷沉积数量。聚酰亚胺气凝胶内部放电路径为树枝状,并且树枝状具有明显的取向性,各向异性的树枝取向与电子辐照扫描方式相关。入射电子诱导高产额二次电子在聚酰亚胺气凝胶骨架上沉积存在显著不均匀性,局部形成极高的电位差导致放电的产生;气凝胶内部放电类型与残余气体相关,主要有气体放电和沿面闪络两种。电子辐照后内部形成树枝状微米孔道同样影响气凝胶隔热性能,电子辐照后气凝胶导热系数降低,原因是均质材料中孔洞减少了传热截面,树枝状结构增加了传热路径。聚酰亚胺气凝胶在质子辐照后三维骨架结构、分子链和宏观性能均发生相应演化。三维网状纳米骨架会随着注量增加逐渐致密化,并转变为层状组织;当注量达到1×1016cm-2时,层状组织逐渐加厚,并向表面移动。分子链降解方式与体相材料无明显差异,表现在C-N键断裂和酰亚胺环解聚。但辐照后很难检测到自由基的存在,这种现象产生原因与聚酰亚胺气凝胶超大比表面积相关,大量高活性位置在表面力驱动下扩散到表面复合。聚酰亚胺气凝胶质子辐照后表面光学吸收增加、比热容下降,这与分子链降解和表面碳化相关。力学性能测试时在位移-载荷曲线上出现明显的Pop-In现象,该现象与辐照区域致密化相关。基于三维骨架变化过程,提出层状组织形成机制:质子辐照导致聚酰亚胺气凝胶近等轴孔在最大能量沉积处收缩,在该处产生垂直于质子束流方向的局部拉应力,导致近等轴孔拉长,直至骨架焊合。拉伸应力促进了层状组织形成。