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氧等離子體處理石墨表面提高親水性改善沉積涂層質(zhì)量

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-05-03
等離子體處理是對表面進(jìn)行清洗、活化和涂層處理最有效的工藝之一，可用于處理各類材料（塑料、金屬或玻璃等），通過該方法可對改性材料表面進(jìn)行預(yù)處理，向材料表面引入羥基或氨基，提高材料表面的親水性。
等離子體處理儀
石墨具有高熔點(diǎn)（熔點(diǎn)3850℃）、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、抗熱震性能卓越等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高溫防護(hù)、航空航天、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。但是石墨也有其弱點(diǎn)，特別是其在高溫下遇氧易被氧化，也不耐熔融金屬腐蝕，這極大影響了石墨材料的應(yīng)用。對此，研究人員展開了眾多研究，最終發(fā)現(xiàn)，在石墨表面涂覆涂層可以有效增強(qiáng)石墨的抗氧化、抗腐蝕、和力學(xué)性能等。

在石墨基體上沉積涂層目前主要還是采用CVD法，但采用CVD法在碳基材料表面制備涂層時(shí)，由于石墨基體一般較光滑，涂層與基體的結(jié)合力不夠，另外由于原料質(zhì)量及包裝原因，碳基材料表面常含有較多雜質(zhì)和缺陷，在進(jìn)行涂層沉積時(shí)，這些雜質(zhì)和缺陷會嚴(yán)重影響涂層質(zhì)量，因此，在進(jìn)行CVD沉積前需要對基體材料進(jìn)行表面處理，改善基體質(zhì)量，提高涂層與基體結(jié)合力。

如何提高石墨與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度，國內(nèi)外鮮有相關(guān)的研究。一般認(rèn)為，對基體表面進(jìn)行一定的改性，如增加表面粗糙度，提高石墨基體活性，在基體表面引入活性物質(zhì)等，能夠有效提高基體與表面涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度。石墨表面進(jìn)行改性的方法主要有氧化法、化學(xué)腐蝕法以及等離子體處理法，如表1.1所示。

表1.1幾種表面處理方法的對比表
方法 原理 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
機(jī)械法 通過打磨、噴砂等對材料表面進(jìn)行處理，使材料表面變得凹凸不平，增大表面粗糙度 操作簡單，成本 低廉 處理后表面不可預(yù)測、處理不均勻
化學(xué)法 使用化學(xué)試劑對表面進(jìn)行腐 蝕，形成一定的形貌，而且還能夠改變表面的元素組成 處理后的表面有著活性高、穩(wěn)定 性好等特點(diǎn)，而 且處理成本較低 偶然性高，不適用于對可重復(fù)性要求高的生產(chǎn)線
等 離 子 處 理 法 使用等離子進(jìn)行表面處理時(shí)， 等離子體與基體原子發(fā)生碰 撞，發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)物理變化，之后會在基體表面引 入自由基和形成新官能團(tuán)，提高表面能，使粘接強(qiáng)度增大 對表面的損傷很 小，而且處理速 度快、可控性好 成本較高


等離子體處理


當(dāng)給固體足夠的能量讓粒子的平均動能超過晶格的結(jié)合能，固體將會變成液體；當(dāng)給液體足夠的能量讓粒子的平均動能超過粒子間的結(jié)合能，液體將會變成氣體；當(dāng)給氣體足夠的能量使其部分或者完全電離，將會出現(xiàn)自由電子以及點(diǎn)電的離子，此時(shí)電離氣體的正、負(fù)離子數(shù)目相等，且具有電磁性質(zhì)，因此成為等離子體，又被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

等離子體處理主要是利用高能等離子體對基體表面進(jìn)行轟擊，在基體表面進(jìn)行刻蝕或者引入活性物質(zhì)，從而對基體表面進(jìn)行一定的改性。等離子體處理可以提高基體表面粗糙度，造成一定的缺陷，與涂層結(jié)合界面之間產(chǎn)生“釘扎作用”。

除了增加基體表面粗糙度，增大表面積外，等離子處理能夠?qū)w表面引入親水性基團(tuán)，增加基體表面的親水性以及活性。

經(jīng)過氧等離子體表面處理，石墨的表面形態(tài)發(fā)生了顯著變化，并且受到氧等離子體的氧化作用，C-C鍵斷裂，引入了C-OH、C-O-C、O=C-OH等多種含氧基團(tuán)，使表面活性增加。石墨表面由非極性、難粘性轉(zhuǎn)為有一定極性、易粘性和親水性，有利于與外來物質(zhì)結(jié)合，增加粘結(jié)、涂覆性能。另外氧等離子體還會對石墨產(chǎn)生刻蝕作用，使石墨表面缺陷減少，從而提高沉積的涂層質(zhì)量。

圖1.2是等離子體處理儀示意圖。在密閉容器中放置兩個(gè)電極，在電流作用下兩電極間形成電場，在一定真空度下氣體弧光放電而形成等離子區(qū)。這些等離子的活性很高，可以引發(fā)一系列物理、化學(xué)變化，當(dāng)?shù)入x子在物件表面集聚下來就可以實(shí)現(xiàn)表面改性。
等離子體處理儀原理示意圖
圖1.2 等離子體處理儀原理示意圖

氧等離子體處理對石墨表面形貌的影響


將氧等離子體處理前后的石墨塊同時(shí)放在同一光源下進(jìn)行對比，圖2.1（a）為氧等離子體處理后石墨塊實(shí)物圖，圖2.2（b）為氧等離子體處理前石墨塊實(shí)物圖。石墨塊經(jīng)過氧等離子體處理前表面光滑，呈現(xiàn)金屬光澤，而經(jīng)過氧等離子體處理后石墨塊表面較為粗糙，導(dǎo)致光線出現(xiàn)漫散射等情況，因此在光源下呈現(xiàn)暗色。
氧等離子體處理前后石墨實(shí)物及其表面 SEM 照片
圖 2.1 氧等離子體處理前后石墨實(shí)物及其表面 SEM 照片 (a) 處理后石墨塊； (b) 處理前石墨塊 ; (c) 處理后石墨塊表面 SEM 照片 ; (d) 處理前石墨塊表面 SEM 照片
 
圖2.1（c）為氧等離子體處理后石墨塊表面SEM圖，圖2.1（d）為氧等離子體處理前石墨塊表面SEM圖。在進(jìn)行氧等離子體處理之前，石墨塊表面光滑，僅有少量較淺的溝槽，這些少量溝槽是由于石墨塊在清洗后進(jìn)行封裝過程中與無塵紙有少許摩擦導(dǎo)致。經(jīng)過氧等離子體處理后，石墨塊表面粗糙不連續(xù)，有較多的溝槽和褶皺，且溝槽深度較深。這是由于氧等離子體中的活性粒子將石墨表面的碳碳鍵斷裂，與石墨塊表面的C原子結(jié)合產(chǎn)生氣體揮發(fā)，對石墨塊表面造成一定的刻蝕作用。
 

氧等離子體處理對石墨表面組分的影響


將氧等離子體處理前后的石墨塊表面進(jìn)行XPS掃描，并對C1s峰進(jìn)行擬合，如圖3.1所示。在處理前的石墨表面同樣出現(xiàn)了O元素，這是因?yàn)樵趻呙枨笆珘K置于大氣中防止了一段時(shí)間，導(dǎo)致表面有一定的吸水。在經(jīng)過氧等離子體處理后，石墨表面除了C-C鍵外，分別在285.6eV、286.5eV以及288eV處出現(xiàn)C-O鍵、O-C-O鍵、O-C=O鍵。表明在經(jīng)過氧等離子體處理后，石墨表面的部分C-C化學(xué)鍵發(fā)生了斷裂，與O形成新的化學(xué)鍵，從而出現(xiàn)C-O、O-C-O以及O-C=O等含氧官能團(tuán)。這些含氧官能團(tuán)對石墨表面與水之間的相互作用產(chǎn)生一定的影響，能夠提高石墨表面的親水性，有利于增強(qiáng)石墨表面的吸附性。此外，含氧官能團(tuán)的引入能夠降低碳碳鍵的強(qiáng)度，使其更容易斷裂，有利于沉積過程中C與Si的結(jié)合。
氧等離子體處理前后石墨 C1s 峰擬合圖譜
圖 3.1 氧等離子體處理前后石墨 C1s 峰擬合圖譜 (a) 處理后； (b) 未處理
 
本文由深圳等離子清洗機(jī)廠家納恩科技整理編輯。經(jīng)過氧等離子體處理后的石墨表面引入了大量-OH等活性基團(tuán)，石墨的親水性和潤濕性得到顯著提升，在改變這些性能的同時(shí)，石墨的整體性能結(jié)構(gòu)并未受到任何改變和破壞。這些含氧官能團(tuán)提高了石墨表面的活性，有利于氣相反應(yīng)的進(jìn)行，對致密涂層的沉積具有促進(jìn)作用，提高涂層與石墨間的結(jié)合強(qiáng)度。
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