金刚石基纳米复合结构的制备及浸润性质研究

发布时间：2017-10-03 21:19

  本文关键词：金刚石基纳米复合结构的制备及浸润性质研究

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【摘要】：近年来，疏水（油）亲水（油）材料被广泛应用于众多领域，例如生物制药、飞行器、造船业、纺织业、能源（太阳能）、电化学和微电化学等。金刚石（Diamond）具有已知材料硬度最高、化学稳定性好、热导率高、带隙宽等多个优异特性。金刚石的浸润性是其十分重要的一个特性，与金刚石晶体取向、表面能、表面氢（氧）终止等密切相关。金刚石浸润性研究对提升其实际应用具有重要的价值，设计和制作新型金刚石基复合结构并对其浸润性进行调制，是当前金刚石领域的重要研究课题。 本论文的主要内容为：利用化学气相沉积（CVD）方法生长金刚石膜，并在多晶金刚石膜上制备氧化锌（ZnO）纳米膜,在网状衬底上制备纳米CVD金刚石膜网（Diamond mesh）,及在金刚石膜网上合成硫化镉（CdS）纳米膜，并研究上述结构的浸润等性能。具体研究结果如下： 1.以抛光和无抛光CVD金刚石膜为衬底，采用磁控溅射法，沉积ZnO纳米膜，提高金刚石膜表面的浸润性。当衬底为无抛光金刚石膜（接触角93°），ZnO/Diamond复合结构接触角达到141°；而对于抛光金刚石膜（接触角87°），ZnO/Diamond复合结构接触角为98°。实验证明接触角的变化与金刚石表面（抛光和未抛光）及ZnO纳米膜的粗糙度密切相关。整体粗糙度大，接触角增大。水滴在ZnO/Diamond体系上放置24小时，接触角度从141°下降到34°；经在烘箱恒温高温（95℃）处理后，接触角恢复到141°，说明体系的疏水与亲水性质是可转换的。 2.利用CVD法，以铜网为衬底生长晶粒尺寸为纳米级的金刚石膜，获得了超疏水（接触角大于150°）和超亲油（接触角~0°）的金刚石膜网，超疏水性对pH=1-14的水滴都可实现。该浸润性特点是由金刚石网微纳米结构、微孔毛细作用力、金刚石表面氢终止共同决定的。通过对金刚石膜网在强酸、强碱溶液中多次浸泡处理，金刚石膜网的超疏水性保持了很好的稳定性。金刚石膜网孔径从50μm增加到150μm时，仍有稳定的超疏水性，除该体系微纳米及多孔结构的原因，还可归因于金刚石膜网表面超硬的特性，比传统材料更能够承受水滴的重量。 3.实验证明金刚石膜网结构可以实现高效的油水分离，并具有很好的可清洁性和重复性。通过在有氧气氛中高温热处理，氢终止表面的金刚石膜网可转变为氧终止表面，超疏水变为亲水性；将氧化表面在氢等离子体中处理，金刚石网转化为氢终止，其超疏水性可以恢复，这样我们实现了在同一结构上超疏水-亲水转换。利用所获得的超疏水和亲水的金刚石膜网，实现了微小液滴的转移。考虑到金刚石的化学稳定性，可以拓展到对pH=1-14的所有液滴进行转移。 4.利用热灯丝CVD方法制备硼掺杂p型金刚石膜网；通过连续离子吸附反应法，在p型金刚石上生长n型CdS纳米膜制备了CdS/diamond mesh复合结构。硼掺杂金刚石膜网具有低亲水性质（接触角为87o），而CdS/diamond mesh的接触角提高到107o，变为疏水。n-CdS/p-diamond mesh异质结用于亚甲基蓝溶液的脱色反应，证明其具有较好的光催化性能。 综上所述，我们研究了CVD金刚石膜表面粗糙度、ZnO膜沉积对提高金刚石膜疏水性的影响；制备了微纳结构的金刚石膜网，获得了超疏水-超亲油性质，可用于高效油水分离，并且在强酸强碱中均具有优异的稳定性。通过表面氧或氢终止的控制，可以对其亲水性及超疏性进行调制。获得了亲水的硼掺杂p型金刚石膜网，在其上生长n型CdS纳米膜,提高了其疏水性，所制备的异质结具有较好的光催化特性。本论文所论述的金刚石基新型复合结构及其浸润性相关的优异性质，具有重要的理论和应用价值，可能发现更多的新现象和工作机制，有望开发出具有特殊功能的金刚石相关的新型多功能器件。
【关键词】：CVD金刚石 浸润性 金刚石膜网 复合结构
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 引言11-12
• 1.2 金刚石的结构、性质及应用12-14
• 1.2.1 金刚石的晶体结构12
• 1.2.2 金刚石的性质12-14
• 1.3 固体表面浸润性的基本理论14-17
• 1.3.1 简介14-15
• 1.3.2 浸润性、自清洁以及稳定性概念15-17
• 1.4 浸润性质表面的应用17-21
• 1.4.1 防冻表面17-18
• 1.4.2 防腐蚀表面18
• 1.4.3 纺织涂层18
• 1.4.4 油水分离18-21
• 1.5 金刚石浸润性的研究进展21-25
• 1.6 本文的选题背景和研究内容25-26
• 参考文献26-32
• 第二章 CVD 金刚石衬底上制备 ZnO 纳米膜及浸润性质研究32-45
• 2.1 引言32
• 2.2 实验设备32-34
• 2.2.1 石英管式微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置32-34
• 2.2.2 射频磁控溅射设备34
• 2.3 实验过程34-36
• 2.3.1 CVD 金刚石薄膜的制备及处理34-35
• 2.3.2 ZnO 薄膜的制备35-36
• 2.4 样品表征和性能测量仪器36
• 2.5 实验结果与分析36-42
• 2.5.1 未抛光和抛光金刚石膜及沉积 ZnO 纳米膜的形貌和结构36-38
• 2.5.2 抛光和未抛光金刚石膜及 ZnO/金刚石复合结构的疏水性38-39
• 2.5.3 不同 ZnO 厚度对金刚石疏水性的影响39-41
• 2.5.4 固体表面粗糙度和“气垫”对疏水性影响的机制41-42
• 2.6 本章小结42-43
• 参考文献43-45
• 第三章 金刚石膜网的制备及浸润性质45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 金刚石膜网的制备45-46
• 3.3 样品表征46
• 3.4 实验结果与分析46-52
• 3.4.1 金刚石膜网的结构、形貌分析46-47
• 3.4.2 金刚石膜网对水（pH=1-14）和油的浸润性47-50
• 3.4.3 影响金刚石膜网疏水性的因素50-52
• 3.5 金刚石膜网油水分离52-53
• 3.6 金刚石膜网超疏水和亲水的转换53-54
• 3.7 金刚石膜网转移液滴54-55
• 3.8 本章小结55-56
• 参考文献56-59
• 第四章 n-CdS/p-diamond mesh 复合结构的制备、浸润性及光催化性质研究59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 ．硼掺杂金刚石膜网的制备59-60
• 4.3 p-型金刚石膜网上 CdS 纳米膜的制备60-61
• 4.4 样品的浸润性及光催化测量61
• 4.5 实验结果与分析61-64
• 4.5.1 n-CdS/p-diamond mesh 结构和形貌61-62
• 4.5.2 n-CdS/p-diamond mesh 浸润性62-63
• 4.5.3 n-CdS/p-diamond mesh 光降解性质63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 参考文献65-69
• 第五章 结论与展望69-71
• 作者简历及科研成果71-73
• 致谢73-74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 郭西缅,王岚;Fe刻蚀金刚石的研究[J];复合材料学报;1997年02期

2 顾长志,金曾孙;金刚石膜的性质、应用及国内外研究现状[J];功能材料;1997年03期

3 周莉;臧树良;胡秀英;;纳米氧化锌的表面改性研究[J];石油化工高等学校学报;2009年02期

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本文编号：966797