聚四氟乙烯表面电弧离子镀膜的微观组织特征

高景龙， 王安舒， 刘艳辉， 金 光

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

聚四氟乙烯表面电弧离子镀膜的微观组织特征

高景龙， 王安舒， 刘艳辉， 金 光

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

采用电弧离子镀工艺对聚四氟乙烯（PTFE）制备了TiN镀层。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）等手段对镀层的形貌、结构、成分及含量进行了表征。实验结果表明：镀层具有黄色金属光泽，在SEM下观察，镀膜有明显凹坑，由2～4μm的颗粒组成，部分颗粒呈现白色，分布不均匀。XRD和EDS分析表明：TiN膜中含有一定的Ti成分。镀膜处理不改变聚四氟乙烯晶体结构取向和有序性，并且增加了聚四氟乙烯的表面粗糙度。

聚四氟乙烯；离子镀膜；微观组织；表面改性

前 言

聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的耐高低温性能和耐化学腐蚀性能，可广泛用于航空、航天、电子机械等诸多领域[1]。但是聚四氟乙烯分子是一种高度对称、高结晶、非极性线型高分子材料[2，3]，表面自由能极低，临界表面张力只有1.8mN/m，这使得其表面的湿润性能、亲水性能很差[4～6]。此外，聚四氟乙烯还具有硬度和耐磨性差的缺点[7]，这些都严重的影响了其在现实生产中的广泛应用。

PTFE极低的表面活性和不粘性限制了它与其它材料的复合。目前，国内外解决PTFE粘接问题，主要是通过PTFE的表面活化提高其表面张力。PTFE的表面活化一般基于置换、交联、接枝、氧化和重结晶等几种方法，常用的表面改性技术有：还原剂法（钠-萘溶液置换法）、高温熔融法、等离子处理法、激光辐射法、硅酸改性法、力化学处理法等[8，9]。

电弧离子镀是将电弧技术应用于离子镀中，在真空环境下利用电弧蒸发作为镀料粒子源实现离子镀的过程。电弧离子镀是物理气相沉积技术中应用最广的技术,我们可以通过改变辉光清洗、负偏压及镀膜等参数来控制聚合物化学结构和相关性质的改变。本文采用俄罗斯科学院的U V N0.5 D 2 I型电弧离子镀设备在聚四氟乙烯表面制备了T i N涂层，研究其表面形貌组成等，以期为聚四氟乙烯的连接问题提供思路及理论依据。

1 实验

采用俄罗斯科学院的U V N0.5 D 2 I型电弧离子镀膜机制备T i N涂层。用纯度99.999%的T i为靶材，基材PTFE的规格为20 mm×20 mm×3 mm。镀前用丙酮将聚四氟乙烯表面擦拭干净，然后在40℃条件下真空干燥5 h后放入真空室。沉积参数：负偏压-80 V，电弧电流72 A，N2气氛，压力0.3 P a，沉积时间30 min。

采用日立S-3400 N型扫描电镜及美国K E V E型能谱分析仪用于膜层表面形貌和化学成分分析；用日本理学D/m a x-2500/P C型衍射仪确定膜层的相结构。

2 结果与讨论

2.1 TiN膜层的表面形貌

图1为经丙酮擦拭镀膜前的聚四氟表面形貌图。扫描电镜分析表明，未经处理的样品尽管没有抛光，表面也比较光滑。PTFE镀膜后表面明显沉积一层黄色镀层，肉眼看起来光滑、具有金属光泽。图2为PTFE基体镀膜后不同放大倍数的S E M表面形貌图，在放大1000倍（图2 a）时，表面形貌与原始样品相比，即可看出粗糙现象。经放大2000、4000倍明显看出，表面膜层由2～4 μm的颗粒组成，分布不均匀，有明显凹坑，部分颗粒呈现白色。结合X R D及E D S分析可知，这些白色的形状不规则颗粒是金属T i。T i的存在，是因为通过电弧加热靶材，弧斑分布不均匀，造成较大的钛金属液滴，这种液滴形成后未反应完全就直接沉积到薄膜上。图中颜色较暗的颗粒为T i N。

图1 镀前PTFE表面的SEM表面形貌Fig.1 SEM micrograph of the PTFE surface before coating

图2 PTFE镀膜后不同放大倍数的SEM表面形貌图Fig.2 SEM micrograph of the PTFE surface after coating at different amplification

如图3，在图2（b）区域1进行了电子散射能谱分析（E D S）。从图3中可以看出，表面膜层除了含有基材的元素外,还含有N、T i元素。

图3 膜层的EDS图谱Fig.3 EDS spectrum of the coating

2.2 镀层的XRD分析

采用X射线衍射分析，可以明确地确定物质的晶体结构，进行物相的定性分析。图4是在聚四氟乙烯表面镀上一层T i N镀层后体系的X R D图谱。由图中谱线可知，试样表面T i N膜的晶面衍射峰110、200和220均出现，显示T i N膜具有择优取向，这与通常物理气相沉积（P V D）和化学气相沉积（C V D）情况下111为择优取向晶面有所不同，这可能是因为电弧离子镀同P V D和C V D技术存在差异和参数的选择有关。另外，在衍射谱中还出现不属于T i N的谱峰，结合E D S分析（图3）可判断存在T i。此外，谱图中在2 θ为17.77°和31.52°处还存在着聚四氟乙烯的衍射峰（标准卡片为54-1595），其中2 θ为17.77°的衍射峰最强，表明T i N膜层较薄，X射线可以穿透镀膜到达基体聚合物聚四氟上。

图4 TiN镀层的XRD图谱Fig.4 XRD pattern of the TiN coating on the PTFE surface

3 结论

采用电弧离子镀工艺成功地在聚四氟乙烯表面制备了T i N镀层，且膜层表面粗糙度，有望增加聚四氟乙烯的粘结问题。镀层具有黄色金属光泽，在S E M下观察，镀膜由2～4 μm的颗粒组成，分布不均匀，有明显凹坑，部分颗粒呈现白色。X R D和E D S分析表明：T i N膜中含有一定的T i成分。

［1］王志超,寇开昌,赵清新,等.聚四氟乙烯表面改性的研究进展［J］.中国胶粘剂,2009,18（9）：47～51.

［2］刘际伟,高晓敏,冯敏.聚四氟乙烯射频等离子体表面改性研究［J］.表面技术,1996,29：6872～6879.

［3］何翔,孙奉娄,周武庆.交流脉冲等离子体改性聚四氟乙烯的XPS 研究［J］.材料科学与工程学报,2008,26（4）：571～573.

［4］刘红霞,陈杰瘩.氩等离子体后辉光区对聚四氟乙烯膜表面的优化改性［J］.高等学校化学学报,2009,30（6）：1199～1204.

［5］董高峰.聚四氟乙烯的表面处理与粘结［J］.腐蚀与防护,2006,27（5）：259～262.

［6］张丽惠,陈久存,陈亚芍.等离子体紫外接枝对聚四氟乙烯表面改性的研究［J］.塑料工业,2006,34（1）：4～6.

［7］满宝元,张运海,吕国华,等.N+离子注入聚四氟乙烯表面改性研究［J］.物理学报,2005,54（2）：837～841.

［8］袁海根,曾金芳,杨杰.聚四氟乙烯改性研究进展［J］.塑料工业,2004,（8）：7～10.

［9］陈冰,朱友水,王红卫.低温等离子体在聚四氟乙烯改性中的应用［J］.化学工业与工程技术,2006,27（4）：26～28.

［10］白秀琴,李健,严新平,等.真空镀膜技术在塑料表面金属化上的应用［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2005,29（6）：947～950.

Microstructure Characterization of Ion Plating Coating on PTFE

GAO Jing-long,WANG An-shu,LIU Yan-hui and JIN Guang
（College of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China）

Surface modification of polytetrafluoroethylene was studied and TiN coating was fabricated on polytetrafluoroethylene （PTFE）by ion plating method.The morphology,structure,composition and contents of TiN films had been characterized with scanning electron micrograph（SEM）,the x-ray diffraction（XRD）and energy diffraction spectrum（EDS）.The results showed that the coating had yellow metallic reflections.The SEM revealed that the TiN coating consisted of particles with a diameter of 2～4μm and white particles were not distributed throughout the films.The coating was pitted with subsidence holes.The XRD and EDS analysis indicated that the coating prepared on PTFE surface contained Ti composition.There was evident increase in the surface roughness of PTFE after the treatment.Coating processing did not lead to change of crystal structural approach and order of PTFE.

PMMA;ion plating coating;microstructure;surface modification

T Q325.4

A

1001-0017（2012）06-0033-03

2012-07-17

高景龙（1975-），男，山东蓬莱人，工程师，主要从事表面处理及废水处理方面的研究。