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隨著電子元器件以及產品向微型化、輕量化、集成化、高效化發展,其功率密度和發熱量隨之倍增,散熱問題成為制約電子產品性能進一步發展的主要瓶頸。石墨膜是近年來興起的一種新型散熱材料,其水平方向具有超高的熱傳導率。

等離子體處理條件對石墨膜表面親水性的影響

以空氣為處理氣氛,流量為0.4L/min,保持處理時間30s,改變處理功率,則石墨膜表面接觸角隨處理功率的變化情況如圖1所示。從圖1可以看出,在等離子處理儀中,氣氛需要達到一定的功率才能被電離產生等離子體,因此當功率達到60W時,石墨膜表面的接觸角開始大幅度降低;而功率從60W增大至240W過程中,接觸角基本沒有發生變化;但如果功率太大,等離子體的平均能量增大,導致轟擊材料表面的活性粒子增加,造成材料表面一些自由基失去活性,材料的接觸角又略有回升。

圖1  等離子處理功率對石墨膜接觸角的影響 

以空氣為處理氣氛,流量為0.4L/min,保持功率60W,改變處理時間,則石墨膜表面接觸角隨處理時間的變化情況如圖2所示。從圖2可以看出,當處理時間超過30s時,石墨膜表面的接觸角出現明顯下降,繼續增大處理時間,接觸角變化不大。這說明如果等離子體處理時間太短,石墨膜表面改性不足,難以取得良好的親水效果,達到一定時間后,等離子體在石墨膜表面引起的物理和化學反應達到飽和狀態,接觸角不再發生明顯的波動。

圖2 等離子處理時間對石墨膜接觸角的影響 

表面形貌分析

石墨膜經最優條件處理前后的SEM形貌如圖2所示,放大倍數為10000倍。從圖2a可以看出,未處理的石墨膜表面比較光滑;而從圖2b看出,經過最優條件下處理后,石墨膜表面出現了明顯的起伏,表面粗糙度增加,這說明等離子體處理對石墨膜表面的刻蝕效果明顯。

圖4  等離子體處理前后石墨膜的SEM形貌 

表面成分分析

石墨膜經等離子處理前后的XPS寬掃描圖如圖3所示,C1s峰擬合圖如圖3所示,石墨膜表面化學組成如表3所示。

圖3 等離子體處理前后石墨膜的XPS全掃描圖譜

圖4 等離子體處理前后石墨膜的C1s擬合圖譜

從圖3及表3可以看出,等離子體處理前后的石墨膜表面均含有C、O元素,但根據石墨膜的分子結構式可知,未處理的石墨膜不可能含有氧元素,而經全掃描發現石墨膜原樣含有微量氧元素,可能因為石墨膜在進行XPS之前處于大氣環境,空氣中雜質或者水蒸氣吸附在石墨膜表面上,從而引入了氧元素。而經等離子體處理后又引入羥基、羧基等含氧官能團,致使石墨膜表面化學組成發生了明顯的變化,C原子數分數由處理前的98.37%下降到83.13%,O原子數分數由處理前的1.63%提高到16.87%,O/C含量比由處理前的1.66%提高到20.29%。從圖4可以看出,未處理的石墨膜表面主要是C—C,結合能為284.6eV。經等離子處理后,石墨膜表面增加了新的含氧官能團,如O—C═O、—C—O(分別對應結合能288.6、286.2eV)。這些含氧基團的引入是石墨膜表面親水性提高的原因之一。

綜上所述：石墨膜經等離子體處理后,表面被刻蝕并且引入含氧極性基團,等離子體處理顯著提高了石墨膜表面的親水性。