多孔陶瓷材料的等離子體滲透性研究

氧化鋅（ZnO）作為一種高帶隙半導(dǎo)體，以其出色的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性廣泛應(yīng)用于氣體傳感和催化等領(lǐng)域，尤其是具有三維多孔骨架結(jié)構(gòu)的t-ZnO。通過控制t‐ZnO的晶體形態(tài)和缺陷結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用，其中就包括對氧化鋅進行等離子體表面改性處理來改善其電導(dǎo)率等性能。為了將三維多孔t‐ZnO的優(yōu)點與等離子體表面改性相結(jié)合，必須讓等離子體穿透到多孔骨架結(jié)構(gòu)中。由于高能等離子體會導(dǎo)致聚合物表面C-C和C-H鍵的解離并使C自由基位點上附著新的原子或基團，因此聚合物通常可以作為等離子體處理的標(biāo)志物。本文提出了一種以三元乙丙橡膠（EPDM）為標(biāo)志物的方法來探究等離子體對三維多孔材料的滲透率。通過研究90%孔隙率的t-ZnO材料在氧低壓電容耦合等離子體中的等離子體滲透率，證明了不同密度的材料和不同的處理條件對等離子體滲透深度的顯著影響。

1）對于等離子表面處理，等離子體本身也會受到等離子體-表面相互作用（如二次電子發(fā)射）的強烈影響；

2）等離子體對t‐ZnO三維骨架材料的滲透率隨樣品厚度和t‐ZnO質(zhì)量密度的增加而降低。

為了在探究ZnO厚度對等離子體滲透率的影響時保證不同厚度的ZnO樣品具有相同的等離子體條件，構(gòu)建了如圖1a-d所示的氧低壓電容耦合放電腔室，不銹鋼樣品支架和t‐ZnO樣品。在不滲透t‐ZnO樣品的情況下，等離子體不可能直接到達EPDM表面。為了深入了解滲透物質(zhì)（子或中性成分，如原子氧、分子氧或臭氧），利用不同材料的樣品支架和在等離子體室中的不同位置在t‐ZnO/ EPDM襯底前形成不同的等離子體鞘層結(jié)構(gòu)，鞘層的結(jié)構(gòu)變化可以在圖2中通過肉眼觀察到。對于等離子體是否對t‐ZnO材料起到表面改性的作用，利用簡單且快速的水接觸角（WCA）試驗測定由于等離子體滲透到t‐ZnO材料中所引起的表面張力的變化。

圖1.（a）等離子體腔室的設(shè)置；（b）測試樣品夾示意圖，三元乙丙橡膠（EPDM）上覆蓋t‐ZnO，在不滲透t‐ZnO樣品的情況下，等離子體不可能直接到達EPDM表面；（c）不銹鋼樣品架填充后的照片，左和中兩個樣品上有鋅蓋板，右邊是原始的三元乙丙橡膠；（d）2.5mm厚的t‐ZnO樣品照片。

圖3為不同厚度t‐ZnO覆蓋層的表征結(jié)果，包括等離子滲透后EPDM表面的 WCA和XPS結(jié)果?？梢钥吹?.0-1.6 mm厚的t‐ZnO覆蓋層的WCA結(jié)果出現(xiàn)了較大的誤差條，其可能是由于多孔材料空隙的不均勻性導(dǎo)致EPDM的處理效果差異很大，然而WCA有的增加趨勢是可以確定的。因此較薄的t‐ZnO覆蓋層具有更好的滲透性。等離子體可以通過多孔t‐ZnO網(wǎng)絡(luò)滲透，EPDM表面潤濕性的增大可以歸因于聚合物的功能化，而不是源于表面殘余的的t-ZnO。除此之外，等離子體的滲透率會隨著t‐ZnO骨架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量密度的增加而降低，而離子是滲透多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢粒子。當(dāng)將t‐ZnO（質(zhì)量密度0.3 g/cm3）直接放在射頻電極的不銹鋼支架上時，其滲透深度約為1.6 mm。而使用特氟龍支架，則顯示出2.5到4 mm的更大滲透深度。將t‐ZnO樣品直接暴露在射頻電極上的等離子體中多次，可提高磁導(dǎo)率。

圖3. 不同厚度t‐ZnO覆蓋層的表征結(jié)果：（a）等離子滲透后EPDM表面的 WCA和XPS結(jié)果；（a，b）包括未處理的EPDM（紅色）和未覆蓋的EPDM（深綠色）的數(shù)據(jù)；（c）等離子滲透后未覆蓋的EPDM的C 1s峰的高分辨掃描；（d）在等離子體滲透過程中被1.6 mm的 t‐ZnO 覆蓋的EPDM的C 1s峰的高分辨掃描