铜表面纳米薄膜制备及功能特性研究

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在材料表面工程的研究领域中,利用薄膜技术对材料表面改性是表面科学的研究热点之一。而功能纳米薄膜由于其突出的优点及性能,无论在研究还是应用领域都引起了人们的广泛关注。本文利用有机镀膜方法,在纯铜表面制备了具有功能特性的纳米薄膜,研究分析了其结构性能,得出了如下主要结论: (1)以三氮杂嗪化合物(TTN)为溶质,利用有机镀膜技术,采用循环伏安、恒电流和恒电位方法,在纯铜表面制备了纳米薄膜。通过红外光谱仪、椭圆偏振仪、电化学工作站等测试手段对制备的薄膜性能进行了分析研究。试验结果表明,在含有TTN单体的溶液中,铜片的有机镀膜存在两个氧化峰,分别在-6 mV(vs SCE, 下同)和0.311V的位置;相对应于薄膜生长过程中的两个步骤:第一步为在-6 mV条件下铜的氧化且生成的铜离子与TTN单体反应结合为Cu-TTN化合物,第二步在0.3 11 V条件下TTN单体的氧化形成自由基后其间的聚合反应,使膜层增厚且更加致密。 (2)极化曲线和电化学阻抗谱测试结果表明,在电流密度0.05 mA/m2条件下恒电流有机镀膜时,镀膜时间为10 min时获得的薄膜质量最佳;在电位0.32 V条件下,恒电位有机镀膜的时间为15 min时获得的薄膜质量最佳;试制出了有机薄膜电容器,其电容值为208.1 nF/cm2,通过计算薄膜的介电常数为17.9。 (3)通过化学刻蚀剂对铜表面进行化学刻蚀预处理,并以三氮杂嗪化合物(ATP)为溶质,结合刻蚀及有机镀膜方法,实现了铜表面超疏水的功能改性。通过扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子谱、红外光谱、接触角测量仪及电化学工作站等对薄膜性能进行了分析。研究表明,铜片表面刻蚀时间为3 min时,其表面的微-钠二元结构最有利于超疏水表面的制备,其接触角高达153.5°、滚动角在0°~4°、表面自由能为5.69mJ/m2,同时也发现了高黏附力的超疏水表面。 (4)电化学测试结果表明,有机镀膜电流为0.05 mA/cm2、镀膜时间为10 min条件下,铜表面薄膜的耐腐蚀性能最优。所采用的超疏水薄膜制备工艺具有时间短、成本低、环保、工艺简便等优点。该方法可望应用在不同金属材料如镍、锌、钛等,有可能促进大规模的超疏水材料的制备及应用。
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