利用松木結(jié)構(gòu)多孔銀作催化劑腐蝕制備硅基超疏水表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種制備硅基超疏水表面的方法，特別是一種利用具有松木結(jié)構(gòu)的多孔銀做催化劑刻蝕硅平面制備硅基超疏水表面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]潤(rùn)濕性作為材料的一種重要的性能，由表面形貌和化學(xué)組成共同決定。近年來(lái)超疏水表面的制備受到了人們的廣泛關(guān)注。超疏水表面在防腐蝕、防水、自清潔、流動(dòng)減阻、無(wú)損液體傳輸、抗氧化等方具有很高的應(yīng)用價(jià)值，逐漸成為表面工程領(lǐng)域的重要課題。制備超疏水表面的方法通常有兩種:一是在粗糙固體表面修飾低表面能物質(zhì)，另一種是在疏水表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。硅材料在現(xiàn)代微電子、光電子、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)中扮演者重要的角色。而使娃基材料具有超疏水表面，無(wú)疑會(huì)擴(kuò)展娃材料的應(yīng)用范圍，例如，在娃材料為主的電子器件和太陽(yáng)能光伏器件應(yīng)用中，硅材料的超疏水表面能夠有效避免器件因雨水而造成的短路和腐蝕，從而對(duì)器件提供有效的保護(hù)。目前制備硅基超疏水表面的途徑主要為利用低表面能物質(zhì)對(duì)具有粗糙微觀結(jié)構(gòu)表面的娃基材料進(jìn)行修飾，而娃基材料的表面粗糙結(jié)構(gòu)常通過(guò)刻蝕法和化學(xué)氣相沉積法得到，如在硅基材料表面以光刻蝕或機(jī)械刻蝕的方法制備出微米級(jí)圓柱陣列粗糙結(jié)構(gòu)。
[0003]在材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，自然界的生物給予了人們很多啟示。自然界在長(zhǎng)期進(jìn)化和演變的發(fā)展過(guò)程中，生物系統(tǒng)中的植物材料形成了一種天然的三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，具有多層次、多組分的有序性組織形貌特征，這種結(jié)構(gòu)難以通過(guò)人工手段獲得。如果將植物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)引用于新型材料的設(shè)計(jì)制備中，這將突破傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)觀念，為材料學(xué)的發(fā)展提供一種新的理念。目前，材料研究者正探索利用天然植物結(jié)構(gòu)，制備具有鮮明植物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、獨(dú)特顯微組織、組織結(jié)構(gòu)可控的新型材料，并期望這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)能賦予材料優(yōu)異的性能，如研究者利用木材、木質(zhì)材料、棉花、椰殼、稻殼等植物結(jié)構(gòu)，通過(guò)工藝控制與復(fù)合，制備了保持有植物天然結(jié)構(gòu)特征的SiC、Si/SiC/C、S1C/C、Al2O3, T12, ZrO2, SnO2等陶瓷材料。研究表明植物的天然結(jié)構(gòu)對(duì)某些新型陶瓷具有優(yōu)異的性能起到重要作用，有望在分子篩、過(guò)濾器、催化劑載體、絕熱材料、氣敏材料、電磁屏蔽材料、遠(yuǎn)紅外福射材料等方面得到廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種尚程度借鑒自然、制成品性能優(yōu)良的制備娃基超疏水表面的方法。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種用松木結(jié)構(gòu)多孔銀作催化劑腐蝕制備硅基超疏水表面的方法，步驟如下:
[0006](I)以松木為原料，將松木置于非氧化性氣氛燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度不低于500°C，升溫速率不高于3°C /min，制得具有松木結(jié)構(gòu)的多孔碳；
[0007](2)將多孔碳在硝酸銀溶液中浸漬，溶液濃度為0.lmol/L,浸漬時(shí)間為I?2小時(shí)，浸漬后將多孔碳取出干燥；
[0008](3)將干燥后的多孔碳放在無(wú)氧氣氛加熱爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為450?550°C，獲得具有松木結(jié)構(gòu)的多孔銀；
[0009](4)用氫氟酸、雙氧水和水的混合液作腐蝕劑，并用腐蝕劑浸沒(méi)單晶硅；
[0010](5)將具有松木結(jié)構(gòu)的多孔銀壓在單晶硅平面上，使之充分接觸，接觸時(shí)間為19?21分鐘，在銀的催化下，腐蝕劑迅速腐蝕單晶硅，并形成與多孔銀結(jié)構(gòu)凸凹相反的硅表面；
[0011](6)將腐蝕后的單晶硅表面浸入氟硅烷和異丙醇混合液中浸泡大于4天，氟硅烷和異丙醇體積比為1:4?1:8，隨后取出干燥，便制得硅基超疏水表面。
[0012]步驟I中，所述的松木為廣義的松科木材，優(yōu)選白松木、水杉木；所述的非氧化性氣氛燒結(jié)爐為木材碳化爐、連續(xù)抽真空加熱爐、氬氣保護(hù)燒結(jié)爐或氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)爐；所述的燒結(jié)溫度優(yōu)選500?800°C ;所述的升溫速率優(yōu)選I?2°C /min。
[0013]步驟3中，所述的無(wú)氧氣氛加熱爐為連續(xù)抽真空加熱爐、氬氣保護(hù)加熱爐或氮?dú)獗Ｗo(hù)加熱爐。
[0014]步驟4中，混合液中氫氟酸、雙氧水、水的體積比為6:2:2。
[0015]步驟6中，所述的氟硅烷和異丙醇體積比優(yōu)選1:6 ;所述的浸泡時(shí)間優(yōu)選4?15天。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:所制備的硅表面拓?fù)淞怂赡镜牡奈⒂^構(gòu)造，高程度的借鑒自然，具有優(yōu)異的超疏水性能。
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的具有白松木結(jié)構(gòu)多孔銀的微觀構(gòu)造圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的具有白松木結(jié)構(gòu)多孔銀的的XRD圖譜。
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中利用白松木結(jié)構(gòu)多孔銀作催化劑腐蝕制得的硅表面微觀構(gòu)造圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中利用白松木結(jié)構(gòu)多孔銀作催化劑腐蝕制得的硅表面的接觸角圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的原理為:本發(fā)明利用松木為模板，將其在非氧化性氣氛中燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)松木中的有機(jī)物發(fā)生分解，氧、氫、氮和部分碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w揮發(fā)，而其中的絕大部分碳元素則保留下來(lái)，并且木材原有的多孔結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過(guò)程中也被完整的保留下來(lái)，從而形成具有木材微觀構(gòu)造的多孔碳。這種多孔碳經(jīng)硝酸銀溶液浸漬、取出干燥后，會(huì)在多孔碳表面以及孔徑內(nèi)形成硝酸銀覆蓋層。將其燒結(jié)時(shí)，硝酸銀分解，生成銀、氮?dú)?、氧氣和二氧化氮，氣體在管式爐中被排出，而銀則在多孔碳表面沉淀下來(lái)，從而形成具有松木結(jié)構(gòu)的多孔銀/碳。將制得的多孔銀覆壓在單晶硅的表面，加入腐蝕劑HF，H2O2和去離子水的混合液。其中多孔銀充當(dāng)催化劑，單晶硅發(fā)生以下反應(yīng):
[0023]H202+2H+— 2h ++2H20 6HF+4h+— H 2SiF6+4H+
[0024]由于多孔銀上存在大量細(xì)小孔洞，與銀緊密接觸的硅才會(huì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)并產(chǎn)生凹陷，而孔洞下方的硅不會(huì)反應(yīng)，這樣會(huì)形成與多孔銀結(jié)構(gòu)凸凹相反的柱狀陣列硅表面。腐蝕一定時(shí)間后取出單晶硅。而后將該硅表面在氟硅烷溶液中浸泡，氟硅烷通過(guò)水解和縮聚在硅表面形成極薄的覆蓋層。當(dāng)水珠落在上面時(shí)，柱狀的凸起間隙中的空氣會(huì)被鎖定，水珠和單晶硅之間形成一層極薄的空氣層，這樣水只與柱狀凸起形成點(diǎn)接觸，減少了接觸面積，表面黏附作用力很弱。因此水在表面張力作用下可凝成水珠，并能在單晶硅表面上隨意滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)超疏水性。
[0025]用松木結(jié)構(gòu)多孔銀作催化劑腐蝕制備硅基超疏水表面的方法，其步驟如下