多孔陶瓷材料的等离子体渗透性研究

氧化锌（ZnO）作为一种高带隙半导体，以其出色的化学稳定性和生物相容性广泛应用于气体传感和催化等领域，尤其是具有三维多孔骨架结构的t-ZnO。通过控制t‐ZnO的晶体形态和缺陷结构，可以适应不同的应用，其中就包括对氧化锌进行等离子体表面改性处理来改善其电导率等性能。为了将三维多孔t‐ZnO的优点与等离子体表面改性相结合，必须让等离子体穿透到多孔骨架结构中。由于高能等离子体会导致聚合物表面C-C和C-H键的解离并使C自由基位点上附着新的原子或基团，因此聚合物通常可以作为等离子体处理的标志物。本文提出了一种以三元乙丙橡胶（EPDM）为标志物的方法来探究等离子体对三维多孔材料的渗透率。通过研究90%孔隙率的t-ZnO材料在氧低压电容耦合等离子体中的等离子体渗透率，证明了不同密度的材料和不同的处理条件对等离子体渗透深度的显著影响。

1）对于等离子表面处理，等离子体本身也会受到等离子体-表面相互作用（如二次电子发射）的强烈影响；

2）等离子体对t‐ZnO三维骨架材料的渗透率随样品厚度和t‐ZnO质量密度的增加而降低。

为了在探究ZnO厚度对等离子体渗透率的影响时保证不同厚度的ZnO样品具有相同的等离子体条件，构建了如图1a-d所示的氧低压电容耦合放电腔室，不锈钢样品支架和t‐ZnO样品。在不渗透t‐ZnO样品的情况下，等离子体不可能直接到达EPDM表面。为了深入了解渗透物质（子或中性成分，如原子氧、分子氧或臭氧），利用不同材料的样品支架和在等离子体室中的不同位置在t‐ZnO/ EPDM衬底前形成不同的等离子体鞘层结构，鞘层的结构变化可以在图2中通过肉眼观察到。对于等离子体是否对t‐ZnO材料起到表面改性的作用，利用简单且快速的水接触角（WCA）试验测定由于等离子体渗透到t‐ZnO材料中所引起的表面张力的变化。

图1.（a）等离子体腔室的设置；（b）测试样品夹示意图，三元乙丙橡胶（EPDM）上覆盖t‐ZnO，在不渗透t‐ZnO样品的情况下，等离子体不可能直接到达EPDM表面；（c）不锈钢样品架填充后的照片，左和中两个样品上有锌盖板，右边是原始的三元乙丙橡胶；（d）2.5mm厚的t‐ZnO样品照片。

图3为不同厚度t‐ZnO覆盖层的表征结果，包括等离子渗透后EPDM表面的 WCA和XPS结果。可以看到1.0-1.6 mm厚的t‐ZnO覆盖层的WCA结果出现了较大的误差条，其可能是由于多孔材料空隙的不均匀性导致EPDM的处理效果差异很大，然而WCA有的增加趋势是可以确定的。因此较薄的t‐ZnO覆盖层具有更好的渗透性。等离子体可以通过多孔t‐ZnO网络渗透，EPDM表面润湿性的增大可以归因于聚合物的功能化，而不是源于表面残余的的t-ZnO。除此之外，等离子体的渗透率会随着t‐ZnO骨架结构的质量密度的增加而降低，而离子是渗透多孔网络结构的优势粒子。当将t‐ZnO（质量密度0.3 g/cm3）直接放在射频电极的不锈钢支架上时，其渗透深度约为1.6 mm。而使用特氟龙支架，则显示出2.5到4 mm的更大渗透深度。将t‐ZnO样品直接暴露在射频电极上的等离子体中多次，可提高磁导率。

图3. 不同厚度t‐ZnO覆盖层的表征结果：（a）等离子渗透后EPDM表面的 WCA和XPS结果；（a，b）包括未处理的EPDM（红色）和未覆盖的EPDM（深绿色）的数据；（c）等离子渗透后未覆盖的EPDM的C 1s峰的高分辨扫描；（d）在等离子体渗透过程中被1.6 mm的 t‐ZnO 覆盖的EPDM的C 1s峰的高分辨扫描