涤纶基布表面磁控溅射纳米铜膜及性能研究

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课题基于纳米金属薄膜生长过程及模式的理论,阐明了不同组织结构涤纶基布表面磁控溅射纳米铜膜的成形机理,并在此基础上提出了变角度沉积生长模型,说明了基布结构和沉积工艺与表面磁控溅射纳米铜膜涤纶织物的透光性能、屏蔽性能、导电性能关系,提出通过剥离实验和耐磨实验方法来综合评价铜膜和基布界面结合强度,阐明了溅射纳米铜膜与涤纶基布界面结合机理,分析了环境条件变化对表面磁控溅射纳米铜膜涤纶基布的导电性能影响,说明了表面磁控溅射纳米铜膜涤纶基布的导电性能受环境条件变化影响的机理。论文首先对涤纶基布表面磁控溅射纳米铜膜的形貌结构及成形机理进行表征研究,结果表明,在溅射工艺相同的条件下,涤纶机织布、针织布表面纳米铜膜颗粒分布较均匀,平均粒径及其表面的粗糙度值较小;非织造布、纳米纤维膜表面纳米铜在(111)晶面上的衍射峰明显较强,结晶度较高,在Cu(200)及(220)晶面上出现衍射峰。溅射功率增加,纳米铜膜粒径大小和表面粗糙度随之减小,薄膜均匀性、致密性先提高后下降;氩气压强增加,纤维表面粗糙度、纳米铜颗粒尺寸先减小后增加。沉积时间延长,铜薄膜厚度增加,铜原子质量百分数、原子百分含量都明显增加基布经氧等离子体预处理后出现明显凹凸现象,刻蚀作用较明显,纳米铜膜均匀致密,能完全覆盖基布表面,但纳米铜膜结晶度没有受到影响。溅射时间越长或溅射功率越大,薄膜平均厚度增加;表面越粗糙,结晶度就越高。纳米铜膜在涤纶基布表面按岛状方式生长,随沉积时间的增加,纳米铜颗粒团聚明显、相互连接,并不断聚合长大成致密的纳米铜膜。铜膜表面均方根粗糙度(RMS)先增后降,团聚颗粒数量增加,并在三维方向生长,导致表面粗糙度增加。当纳米铜颗粒继续沉积,纤维表面形成连续致密、具有晶体结构的铜膜,粗糙度反而会减小。在此基础上提出了变角度沉积生长模型,溅射原子在基布表面的迁移率是影响薄膜生长及其特性的重要因素。溅射工艺条件、基布组织结构、等离子体预处理等工艺对表面磁控溅射纳米铜膜的涤纶基布性能有一定的影响。然后对表面磁控溅射纳米铜膜的涤纶基布光学透射性能、导电性能、电磁屏蔽性能及其他应用性能进行测试分析,结果表明,溅射时间延长,样品透光性降低、导电性、电磁屏蔽效能明显增强,力学性能变化不明显;溅射功率增加,样品透光性降低,导电性能提高;氩气压强增加,样品透光性增强,导电性能减弱;由于基布本身的结构差异,孔隙率增加,样品透光性能提高,导电性能减弱;溅射时间相同时,机织物编织密度增加,样品导电能力提高,当电磁波频率相同时,电磁屏蔽性能也随编织密度的增加而略微增加;氧等离子体对涤纶纤维的刻蚀作用较氩等离子体均匀,经氧等离子体处理后,样品导电性能显著提高,电磁屏蔽性能提高约5dB,亲水性能明显改善,透气性变差,力学性能有所提高。接着对溅射纳米铜膜-涤纶基布界面结合强度展开研究,通过扫描电镜、剥离实验、耐磨实验综合观察分析薄膜—基布的界面微观结构状态、结合牢度。实验结果表明,随溅射时间延长,基布与薄膜间界面结合越牢固,耐磨性能越好。溅射时间延长、基材经等离子体预处理明显提高纳米铜薄膜和涤纶基布的附着力。最后对表面磁控溅射纳米铜膜涤纶基布的导电性能进行评价。改变环境温湿度、水洗程度后,样品导电性较稳定;在室温大气下放置90天后,铜薄膜连续性变差,与基布之间发生断裂,样品表面成分及化学状态并没发生变化,导电性能有所降低但逐渐趋向稳定。
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