本文關(guān)鍵詞：磁控濺射TiN薄膜疏油疏水性能研究

  更多相關(guān)文章： 磁控濺射 疏油 疏水 接觸角 粗糙度 氮化鈦薄膜

【摘要】：隨著人們生活水平的改善和環(huán)保意識(shí)的不斷提高,具有優(yōu)異的拒水、拒油性能的疏水、疏油材料,在我們的日常生活中、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品制造乃至國防建設(shè)中都占據(jù)著愈來愈重的作用。例如在紡織品、皮革表面應(yīng)用疏油、疏水薄膜技術(shù),制成防水、防油污的服裝、皮鞋等;用在石油輸送管道內(nèi)壁和精準(zhǔn)注射器針尖上能防止粘附、堵塞通路,減少了損耗;在船舶、潛水艇的外殼上應(yīng)用疏水、疏油材料,既減少水對(duì)船體的阻力,提高了航行速度,而且能達(dá)到防腐、防污的效果。正是因?yàn)橛腥绱说男枨?自清潔材料的應(yīng)用研究才愈來愈受到人們的關(guān)注。目前制備疏水、疏油薄膜的基本原理是在較低表面能材料上制造適宜的表面粗糙度,兩者相互協(xié)調(diào),得到疏水、疏油薄膜。其主要制備方法包括模板法和軟蝕刻法等物理方法,還包括相分離法和化學(xué)氣相沉積法等化學(xué)方法。物理方法等工藝制備疏水、疏油薄膜不但對(duì)基體材料要求較高,必須為低表面能材料,并且這些制備方法均存在一定的局限性�；瘜W(xué)工藝處理的薄膜,采用的化學(xué)溶液聚合物中大多含有醇類等易燃易爆成分,排出廢棄溶液還會(huì)造成水和空氣的污染。磁控濺射真空鍍膜工藝制備的疏油、疏水薄膜,對(duì)基體材料要求較低,絕大部分金屬材料或有機(jī)材料都可以作為基體材料,最重要的是磁控濺射技術(shù)沒有廢氣、廢渣、廢水的排出,綠色環(huán)保。但目前應(yīng)用磁控濺射工藝制備疏油、疏水薄膜的案例還較少,且研究其影響因素的更少。主要是因?yàn)椴捎么趴貫R射技術(shù)制備的疏油、疏水薄膜與其他方法相比存在性能較差的問題。就此,怎樣運(yùn)用磁控濺射真空鍍膜技術(shù),制備出具有疏油、疏水性能的薄膜,研究出其主要影響性能的因素成為了亟待研究的問題。本研究以在1Cr18Ni9鏡面不銹鋼基體上沉積Ti N疏油、疏水薄膜為研究對(duì)象,以中頻非平衡反應(yīng)交流磁控濺射技術(shù)為研究方法,研究薄膜表面粗糙度及薄膜顆粒大小對(duì)Ti N薄膜疏油、疏水性能的影響,得到制備疏油、疏水功能薄膜的最優(yōu)工藝及參數(shù)。通過研究濺射時(shí)間、氮?dú)饬髁�、濺射靶功率和濺射偏壓等工藝參數(shù)對(duì)薄膜自清潔性能的影響,選擇并調(diào)整各個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),再通過平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)的參數(shù)。通過對(duì)正交實(shí)驗(yàn)和平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析表明,Ti N薄膜在鏡面不銹鋼表面濺射會(huì)出現(xiàn)固、液接觸角小,疏油、疏水性能差的現(xiàn)象,然而加入主轟擊工藝后,在基體表面制備的化合物薄膜,固、液接觸角會(huì)增大。最終確定長時(shí)間主轟擊與短時(shí)間沉積,在鏡面不銹鋼表面沉積得到了疏水薄膜,并研究了薄膜疏水、疏油性能與薄膜顆粒大小之間的關(guān)系。具體工藝為,首先采用高壓離子鍍技術(shù)在鏡面不銹鋼板表面沉積一層純Ti過渡膜層,不但確保了膜基結(jié)合力,而且粗化了基體表面,增大了與空氣的接觸面積;然后再采用磁控濺射鍍膜技術(shù)在純Ti過渡層上沉積Ti N薄膜。這樣解決了直接沉積Ti N薄膜所得到的固、液接觸角小、疏油疏水性能差等技術(shù)難題。文章還研究了Ti N薄膜疏油、疏水性能與其基體表面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系,得出了當(dāng)薄膜表面微結(jié)構(gòu)呈乳突狀、薄膜粒子直徑在80~100 nm之間時(shí),制備的Ti N薄膜的疏水性能最好,薄膜的疏油性能隨著顆粒的增大而增大。綜上所述,本文通過探討在鏡面不銹鋼板表面制備Ti N疏油、疏水薄膜的工藝,研究了濺射時(shí)間、濺射功率、氮?dú)饬髁考爸鬓Z擊時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)薄膜疏油、疏水性能的影響。制定出了采用磁控濺射技術(shù)制備具有疏水功能的Ti N薄膜的工藝。研究了薄膜表面粗糙度、薄膜微觀結(jié)構(gòu)及Ti N顆粒大小對(duì)薄膜疏油、疏水性能的影響。結(jié)果表明,在一定時(shí)間內(nèi),主轟擊時(shí)間的延長,粗化了基體表面,改變薄膜的表面粗糙度,進(jìn)而改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu);Ti N薄膜的疏油、疏水性能隨著薄膜顆粒的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)顆粒大小在80~100 nm之間,所制備的Ti N薄膜疏油、疏水性能達(dá)到最優(yōu)。
【關(guān)鍵詞】：磁控濺射 疏油 疏水 接觸角 粗糙度 氮化鈦薄膜
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.2;TG174.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-19
• 1.1 課題研究的背景及意義10-11
• 1.2 疏油疏水薄膜研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 疏油疏水薄膜制備技術(shù)研究發(fā)展12-14
• 1.3.1 化學(xué)氣相沉積法12
• 1.3.2 磁控濺射法12
• 1.3.3 微等離子體氧化法12-13
• 1.3.4 溶膠-凝膠法13
• 1.3.5 相分離技術(shù)13
• 1.3.6 自組裝梯度功能技術(shù)13
• 1.3.7 其他方法13-14
• 1.4 物質(zhì)濺射技術(shù)14-18
• 1.4.1 物質(zhì)的濺射實(shí)質(zhì)14
• 1.4.2 直流濺射14-15
• 1.4.3 射頻濺射15
• 1.4.4 磁控濺射15-16
• 1.4.5 反應(yīng)磁控濺射16
• 1.4.6 非平衡磁控濺射16-17
• 1.4.7 中頻磁控濺射17-18
• 1.5 研究內(nèi)容18-19
• 2 實(shí)驗(yàn)材料設(shè)備與工藝19-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料19-20
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)用材料19-20
• 2.1.2 基體材料預(yù)處理工藝20
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)靶材及氣體20
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備20-22
• 2.2.1 中頻非平衡磁控濺射真空鍍膜機(jī)20-21
• 2.2.2 抽真空系統(tǒng)21
• 2.2.3 電源控制系統(tǒng)21-22
• 2.2.4 配氣系統(tǒng)22
• 2.3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備22-24
• 2.3.1 潤濕角測(cè)定儀22-23
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡23
• 2.3.3 表面粗糙度儀23-24
• 2.4 真空磁控濺射鍍膜工藝24-27
• 2.4.1 鍍膜前處理24
• 2.4.2 鍍膜工藝流程24-27
• 3 工藝參數(shù)對(duì)TiN薄膜疏油、疏水性能的影響27-34
• 3.1 薄膜疏油疏水原理27-28
• 3.1.1 Young方程27
• 3.1.2 Wenzel模型和Cassie模型27-28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法28-33
• 3.2.1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)28-30
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析30-33
• 3.3 工藝試驗(yàn)33-34
• 4 工藝優(yōu)化34-40
• 4.1 基體溫度的優(yōu)化34-35
• 4.2 濺射時(shí)間的優(yōu)化35-36
• 4.3 濺射功率的優(yōu)化36-37
• 4.4 氮?dú)饬髁康膬?yōu)化37-39
• 4.5 工藝驗(yàn)證39
• 4.6 小結(jié)39-40
• 5 表面粗糙度對(duì)TiN薄膜疏油疏水性能的影響40-46
• 5.1 表面粗糙度與薄膜疏油疏水性的關(guān)系40
• 5.2 主轟擊時(shí)間對(duì)薄膜粗糙度及潤濕性的影響40-44
• 5.3 小結(jié)44-46
• 6 粒子大小對(duì)TiN薄膜疏油疏水性的影響46-50
• 6.1 薄膜粒子大小對(duì)薄膜疏油疏水性能的影響46-49
• 6.2 小結(jié)49-50
• 7 結(jié)論50-51
• 參考文獻(xiàn)51-54
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文54-55
• 作者簡歷55-56
• 致謝56-57

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本文編號(hào)：570990