利用松木結構多孔銀作催化劑腐蝕制備硅基超疏水表面的方法
【技術領域】
[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構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】
[0002]潤濕性作為材料的一種重要的性能，由表面形貌和化學組成共同決定。近年來超疏水表面的制備受到了人們的廣泛關注。超疏水表面在防腐蝕、防水、自清潔、流動減阻、無損液體傳輸、抗氧化等方具有很高的應用價值，逐漸成為表面工程領域的重要課題。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建粗糙結構。硅材料在現(xiàn)代微電子、光電子、傳感器和微機電系統(tǒng)中扮演者重要的角色。而使娃基材料具有超疏水表面，無疑會擴展娃材料的應用范圍，例如，在娃材料為主的電子器件和太陽能光伏器件應用中，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，從而對器件提供有效的保護。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)對具有粗糙微觀結構表面的娃基材料進行修飾，而娃基材料的表面粗糙結構常通過刻蝕法和化學氣相沉積法得到，如在硅基材料表面以光刻蝕或機械刻蝕的方法制備出微米級圓柱陣列粗糙結構。
[0003]在材料及其結構設計的過程中，自然界的生物給予了人們很多啟示。自然界在長期進化和演變的發(fā)展過程中，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)絡結構構造，具有多層次、多組分的有序性組織形貌特征，這種結構難以通過人工手段獲得。如果將植物獨特的結構引用于新型材料的設計制備中，這將突破傳統(tǒng)材料的設計觀念，為材料學的發(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構，制備具有鮮明植物結構特點、獨特顯微組織、組織結構可控的新型材料，并期望這種獨特結構能賦予材料優(yōu)異的性能，如研究者利用木材、木質(zhì)材料、棉花、椰殼、稻殼等植物結構，通過工藝控制與復合，制備了保持有植物天然結構特征的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構對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、過濾器、催化劑載體、絕熱材料、氣敏材料、電磁屏蔽材料、遠紅外福射材料等方面得到廣泛應用。

【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]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種用松木結構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爐中燒結，燒結溫度不低于500°C，升溫速率不高于3°C /min，制得具有松木結構的多孔碳；
[0007](2)將多孔碳在硝酸銀溶液中浸漬，溶液濃度為0.lmol/L,浸漬時間為I?2小時，浸漬后將多孔碳取出干燥；
[0008](3)將干燥后的多孔碳放在無氧氣氛加熱爐中燒結，燒結溫度為450?550°C，獲得具有松木結構的多孔銀；
[0009](4)用氫氟酸、雙氧水和水的混合液作腐蝕劑，并用腐蝕劑浸沒單晶硅；
[0010](5)將具有松木結構的多孔銀壓在單晶硅平面上，使之充分接觸，接觸時間為19?21分鐘，在銀的催化下，腐蝕劑迅速腐蝕單晶硅，并形成與多孔銀結構凸凹相反的硅表面；
[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爐為木材碳化爐、連續(xù)抽真空加熱爐、氬氣保護燒結爐或氮氣保護燒結爐；所述的燒結溫度優(yōu)選500?800°C ;所述的升溫速率優(yōu)選I?2°C /min。
[0013]步驟3中，所述的無氧氣氛加熱爐為連續(xù)抽真空加熱爐、氬氣保護加熱爐或氮氣保護加熱爐。
[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 ;所述的浸泡時間優(yōu)選4?15天。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是:所制備的硅表面拓撲了松木的的微觀構造，高程度的借鑒自然，具有優(yōu)異的超疏水性能。
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例1中制得的具有白松木結構多孔銀的微觀構造圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實施例1中制得的具有白松木結構多孔銀的的XRD圖譜。
[0020]圖3是本發(fā)明實施例1中利用白松木結構多孔銀作催化劑腐蝕制得的硅表面微觀構造圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實施例1中利用白松木結構多孔銀作催化劑腐蝕制得的硅表面的接觸角圖。
【具體實施方式】
[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。燒結時松木中的有機物發(fā)生分解，氧、氫、氮和部分碳轉變?yōu)闅怏w揮發(fā)，而其中的絕大部分碳元素則保留下來，并且木材原有的多孔結構在燒結過程中也被完整的保留下來，從而形成具有木材微觀構造的多孔碳。這種多孔碳經(jīng)硝酸銀溶液浸漬、取出干燥后，會在多孔碳表面以及孔徑內(nèi)形成硝酸銀覆蓋層。將其燒結時，硝酸銀分解，生成銀、氮氣、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，從而形成具有松木結構的多孔銀/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。其中多孔銀充當催化劑，單晶硅發(fā)生以下反應:
[0023]H202+2H+— 2h ++2H20 6HF+4h+— H 2SiF6+4H+
[0024]由于多孔銀上存在大量細小孔洞，與銀緊密接觸的硅才會發(fā)生腐蝕反應并產(chǎn)生凹陷，而孔洞下方的硅不會反應，這樣會形成與多孔銀結構凸凹相反的柱狀陣列硅表面。腐蝕一定時間后取出單晶硅。而后將該硅表面在氟硅烷溶液中浸泡，氟硅烷通過水解和縮聚在硅表面形成極薄的覆蓋層。當水珠落在上面時，柱狀的凸起間隙中的空氣會被鎖定，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，從而實現(xiàn)超疏水性。
[0025]用松木結構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