随着电子元器件以及产品向微型化、轻量化、集成化、高效化发展,其功率密度和发热量随之倍增,散热问题成为制约电子产品性能进一步发展的主要瓶颈。石墨膜是近年来兴起的一种新型散热材料,其水平方向具有超高的热传导率。

等离子体处理条件对石墨膜表面亲水性的影响

以空气为处理气氛,流量为0.4L/min,保持处理时间30s,改变处理功率,则石墨膜表面接触角随处理功率的变化情况如图1所示。从图1可以看出,在等离子处理仪中,气氛需要达到一定的功率才能被电离产生等离子体,因此当功率达到60W时,石墨膜表面的接触角开始大幅度降低;而功率从60W增大至240W过程中,接触角基本没有发生变化;但如果功率太大,等离子体的平均能量增大,导致轰击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,材料的接触角又略有回升。

图1  等离子处理功率对石墨膜接触角的影响 

以空气为处理气氛,流量为0.4L/min,保持功率60W,改变处理时间,则石墨膜表面接触角随处理时间的变化情况如图2所示。从图2可以看出,当处理时间超过30s时,石墨膜表面的接触角出现明显下降,继续增大处理时间,接触角变化不大。这说明如果等离子体处理时间太短,石墨膜表面改性不足,难以取得良好的亲水效果,达到一定时间后,等离子体在石墨膜表面引起的物理和化学反应达到饱和状态,接触角不再发生明显的波动。

图2 等离子处理时间对石墨膜接触角的影响 

表面形貌分析

石墨膜经最优条件处理前后的SEM形貌如图2所示,放大倍数为10000倍。从图2a可以看出,未处理的石墨膜表面比较光滑;而从图2b看出,经过最优条件下处理后,石墨膜表面出现了明显的起伏,表面粗糙度增加,这说明等离子体处理对石墨膜表面的刻蚀效果明显。

图4  等离子体处理前后石墨膜的SEM形貌 

表面成分分析

石墨膜经等离子处理前后的XPS宽扫描图如图3所示,C1s峰拟合图如图3所示,石墨膜表面化学组成如表3所示。

图3 等离子体处理前后石墨膜的XPS全扫描图谱

图4 等离子体处理前后石墨膜的C1s拟合图谱

从图3及表3可以看出,等离子体处理前后的石墨膜表面均含有C、O元素,但根据石墨膜的分子结构式可知,未处理的石墨膜不可能含有氧元素,而经全扫描发现石墨膜原样含有微量氧元素,可能因为石墨膜在进行XPS之前处于大气环境,空气中杂质或者水蒸气吸附在石墨膜表面上,从而引入了氧元素。而经等离子体处理后又引入羟基、羧基等含氧官能团,致使石墨膜表面化学组成发生了明显的变化,C原子数分数由处理前的98.37%下降到83.13%,O原子数分数由处理前的1.63%提高到16.87%,O/C含量比由处理前的1.66%提高到20.29%。从图4可以看出,未处理的石墨膜表面主要是C—C,结合能为284.6eV。经等离子处理后,石墨膜表面增加了新的含氧官能团,如O—C═O、—C—O(分别对应结合能288.6、286.2eV)。这些含氧基团的引入是石墨膜表面亲水性提高的原因之一。

综上所述：石墨膜经等离子体处理后,表面被刻蚀并且引入含氧极性基团,等离子体处理显著提高了石墨膜表面的亲水性。