反应溅射制备纳米ZnO功能纺织材料及其性能表征

论文摘要

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,将纳米技术用于纺织材料研究开发新型功能化纳米纺织材料又是材料研究领域中的最新热点。纺织材料也跳出服用圈子成为装饰用、产业用纺织品方面的重要原料。氧化锌（ZnO）作为一种新型的Ⅱ——Ⅵ族宽禁带半导体材料,在紫外光探测和发射方面具有很好的应用潜力。且ZnO可实现室温下的紫外受激辐射,在室温下的光泵浦阈值较低,具有很高的化学稳定性和较强的抗辐射损伤能力,薄膜外延生长要求的温度较低,原料易得廉价,易掺杂等。这些优异特性使得ZnO薄膜在发光二极管、太阳能电池、晶体管、表面声波器件、光电压电器件、透明电极、气敏湿敏传感器等诸多领域得到应用。本实验采用低温直流磁控溅射技术,经O2和Zn在真空腔内反应,在涤纶纺粘非织造布表面沉积ZnO功能性纳米薄膜。然后是对实验后样品的结构状态分析。运用能量散射X射线能谱仪（EDX）和X射线衍射仪（XRD）验证了氧化锌在纺织基材表面的存在:EDX分析样品镀层前后的元素组成变化及其含量,XRD图片得出基材表面ZnO的c-轴取向性和结晶情况。使用原子力显微镜（AFM）分析纳米结构表面镀层的形貌及其与直流溅射工艺参数的关系。分析表明:ZnO颗粒尺寸在一定范围内随氧氩比的增大而增大,氧氩比为20sccm:20sccm时较合适;溅射功率和镀膜厚度的增加均使ZnO颗粒尺寸增加,溅射功率过大会导致ZnO颗粒发生畸变;溅射压强增加颗粒直径则是先增大后减小,同时压强增大颗粒均匀性和取向性变差。接着使用扫描电镜（SEM）分析ZnO薄膜的微观结构及镀层前后非织造布切面的形貌结构,观察薄膜-基材的界面结合情况。另外,通过剥离实验观察分析了薄膜-基材的界面微观结构状态、界面结合牢度和薄膜性能等。SEM和剥离实验等表明制备的薄膜表面光滑致密,形成薄膜的纳米ZnO颗粒均匀性好,且薄膜与基材的结合较紧密,结合牢度好,同时溅射后不影响纺织材料的柔韧性。基材如果经等离子处理后,薄膜附着力增加。最后是对镀层后样品的功能性分析。利用紫外可见分光光度计对溅射前后的非织造布样品进行测试,结果表明ZnO薄膜具有透明和吸收紫外线性能,且一定范围内增加膜厚、基材经等离子体处理和氧分压的增加都可以使样品的抗紫外线性能得到一定程度的增强。使用织物感应式静电测试仪测试镀层前后织物的抗静电性能,发现经镀层后非织造布的抗静电性能得到了显著的改善,而且随着膜厚的增加抗静电性能提高也很明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米技术与纳米材料概述
• 1.1.1 纳米技术
• 1.1.2 纳米材料
• 1.2 在纳米基础上开发功能性纺织材料
• 1.2.1 功能性纳米薄膜概述
• 1.2.2 功能性纳米薄膜的制备
• 1.2.3 功能性ZnO 纳米薄膜概述
• 1.2.4 功能性纳米结构镀层的表征
• 1.3 本课题研究的意义及国内外动态
• 1.4 课题研究的主要工作进程
• 第二章 直流反应磁控溅射制备纳米ZNO 功能性薄膜
• 2.1 制备功能性薄膜的设备及其工作原理
• 2.1.1 实验所用设备简介
• 2.1.2 磁控溅射镀膜原理及其特点
• 2.2 功能性薄膜的制备
• 2.2.1 实验准备
• 2.2.2 等离子处理基材
• 2.2.3 薄膜制备方法的选择
• 2.2.4 制备ZnO 功能性薄膜的实验方案
• 2.3 本章小结
• 第三章 对直流反应制备的功能性薄膜的成分分析
• 3.1 EDX 和XRD 的工作原理及所用仪器介绍
• 3.1.1 EDX 的基本工作原理及所用仪器介绍
• 3.1.2 XRD 的工作原理及所用仪器介绍
• 3.2 EDX 进行试样元素组成分析及结果
• 3.3 XRD 进行试样成分分析及结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米ZNO 功能性薄膜的微观结构分析
• 4.1 AFM 和SEM 的工作原理及所用仪器介绍
• 4.1.1 AFM 的工作原理及所用仪器介绍
• 4.1.2 SEM 的工作原理及所用仪器介绍
• 4.2 AFM 对试样表面微观结构的分析及结果
• 4.2.1 镀膜前后试样表面微观结构比较
• 4.2.2 氧氩比对ZnO 薄膜微观结构的影响
• 4.2.3 溅射功率对ZnO 薄膜微观结构的影响
• 4.2.4 溅射压强对ZnO 薄膜微观结构的影响
• 4.2.5 镀膜厚度对ZnO 薄膜微观结构的影响
• 4.2.6 基材等离子处理前后试样表面的AFM 分析比较
• 4.3 试样的SEM 分析及结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 ZNO 薄膜与非织造布的界面结合情况研究
• 5.1 表面镀膜的一般界面结合机理
• 5.2 SEM 分析界面微观结构
• 5.2.1 制样
• 5.2.2 SEM 扫描结果与分析
• 5.3 剥离实验
• 5.3.1 试样制备
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 镀膜前后非织造布的光学性能和抗静电性能分析
• 6.1 抗紫外线和抗静电性能测试所用仪器及实验原理介绍
• 6.1.1 抗紫外线性能测试的仪器及实验原理介绍
• 6.1.2 抗静电性能测试所用仪器及实验原理介绍
• 6.2 试样的光学性能分析及结果
• 6.2.1 不同膜厚制备的试样的光透射率比较
• 6.2.2 不同氧分压制备的试样的光透射率比较
• 6.2.3 等离子处理原样对镀膜后试样光透射率的影响
• 6.3 试样的抗静电性能分析及结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结语
• 7.1 论文总结
• 7.2 存在的问题与不足
• 7.3 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文